【科学普及】大脑的“缓存”系统在何处

原创 陈夏、郭增才 细胞世界 收录于合集 #神经细胞生物学 43个

记忆有许多不同的存在形式。就时间尺度而言，有的记忆可以长期保留（即长期记忆），有的只是被短暂地存储在脑海里，使用后就会被“冲洗”掉——就像是“缓存”。

比如在心算“26乘34”时，我们首先要记住这两个数字，然后依次将34各位置上的数字与26相乘，再将算得的结果按法则对齐后相加，最后得到结果。在这个过程中，要记住原有数字、对它们进行运算，还要记住产生的中间值，而这些中间值在心算结束后就可以舍弃了。这种在较短时间内（通常是几秒）维持信息并进行操纵、加工的能力被称为“工作记忆”。

无论是阅读、交流，还是推理、决策和规划等过程，都需要工作记忆的参与。不难想象，工作记忆能力强的人，在学习、工作和生活中都更容易成功。那么，工作记忆在我们的大脑中是怎样工作的呢？

01分布式存储网络

上世纪30年代，C.F. Jacobsen发现前额叶皮层受损的猴子在执行需要工作记忆参与的任务（如延迟反应任务，图1）时表现变差，而其他不需要记忆的任务则不受影响(1)，这一结果相继被其他团队证实(2, 3)。1971年，Joaquin M. Fuster和其学生Garrett E. Alexander沿用Jacobsen的行为学范式，在猕猴的前额叶皮层、丘脑背内侧核记录到相关的细胞活动，发现在猕猴没有接收外界刺激且尚未做出运动选择的情况下，这些细胞仍然持续活跃，从而维持特定的信息(4)。

图1 延迟反应任务，是一项经典的工作记忆行为范式。在单次任务中，动物首先接收感觉信息（比如呈现两个相同的碗，而只在其中一个放入食物），只有在经过几十秒钟的延迟后，动物才被允许做出选择（选择哪个碗去获得食物）。由于延迟区间没有感觉信息（猴子看不到碗），动物必须“记住”相关信息，才能成功获得食物。这一行为在后续的研究乃至今日仍被广泛使用。改自(5)。

现在，我们已经知道大脑的许多区域都存在与工作记忆相关的神经活动。这些区域跨域感觉皮层、顶叶、颞叶和前额叶等皮层区域，以及皮层下的丘脑、上丘、基底神经节等脑区(6-8)。图2列举了工作记忆相关活动在人类大脑皮层的分布，这种广泛分布的现象在其他灵长类动物如猕猴、啮齿类动物如大鼠、小鼠（见图3）中同样存在(9, 10)。

图2 人类大脑皮层呈现工作记忆活动的脑区示意图，各脑区的编码特征有所差异，改自(8)。

图3 小鼠呈现工作记忆活动的脑区示意图，箭头表示信息传递的方向，改自(11)。

可为什么大脑需要这样分布式地存储工作记忆呢？

02 存储信息的本质：从具体到抽象

当需要临时记住一个物体时，我们并不需要记住它的全部细节——大脑很擅长根据任务的需求提取特征、将事物抽象化，而不同脑区擅长存储信息的抽象程度也不同。

举例来说，若想辨别一块碎片是否来自之前看到的物体A，我们要记住更多物体A的细节（轮廓、形状或局部特征等），此时后梭状皮层（高级视觉皮层，该脑区负责视觉物体的高级加工）直接参与物体特征的记忆，而外侧前额叶皮层则不会直接存储这些记忆。但如果我们想判断新物体B是否和之前的物体A属于同类，就只需记住物体所属的类别，这时参与概念类或抽象记忆的外侧前额叶皮层就显得更重要(12)。

此外，额叶皮层对不同感觉模态（视觉、听觉和触觉等）的量化信息（数目、频率等）的存储是类似的(13-15)。比如，虽然“看到灯光闪了几下”和“听到几声敲击声”涉及不同的感觉来源，但这个数量信息在前额叶皮层的存储方式是相似的，也就是说前额皮层可以抽象地表征这类信息，而无关乎感官细节。

总的来说，不同脑区所存储信息的特征（具体或抽象）和它们的特有功能或层级（低级或高级）往往是对应的。大脑将编码细节和具体的低阶信息交由感觉皮层负责，而由额叶皮层负责构建更抽象、和任务高度相关的高阶信息，使我们能够灵活应对外界复杂多变的环境。毕竟，有时我们所需要的并非过于注重细节的记忆，而是这个记忆带给我们的经验与领悟。

03 如何加工存储信息：传递与转化

如前文所述，工作记忆不仅涉及对信息的存储，还强调对这些信息实施操纵和加工，进而指导行为——比如心算时在脑海中进行演算，输入你刚记住的一串验证码，根据所记住的地图信息在合适的地点打方向盘等。这些都涉及到信息在大脑中的传递和编码形式的转化，这一过程就是在工作记忆的分布式网络中实现的。

不妨想象你正在做中英互译的选择题。先出现的是四个汉字“工作记忆”，你要在下方几个英文词汇中找到答案。你可能会先记住“工作记忆”，然后在几个英文选项里找到相匹配的那一个；也可能是直接记住译好的“working memory”再去寻找相符合的答案。这两种维持记忆的方案，前者叫回溯式编码，记住的是先前的、已不再呈现的事物；后者是预测式编码，原始信息被进一步加工，并转化为搜索和决策，是对后续事件的准备或预测，好处在于我们可以提前优化自己的行为，能更快、更精确地做出选择。

从记住信息到做出决策，信息从感觉区域传递至运动区域，前运动皮层（额叶皮层的一部分）的神经元在准备阶段呈现不断上升的持续性活动，并最终将运动输出的信号传送给初级运动皮层(16, 17)。对于额叶脑区来说，神经元对以上各类信息的编码时常是混合的，比如前额叶皮层的神经元活动不仅可以分辨出不同的感觉刺激、维持感觉刺激的记忆，也能将后续接收的新刺激与记忆进行比较（即加工）(18, 19)。

额叶皮层与皮层下的脑区之间存在着复杂的信息交流和转化，近些年，这一信息网在啮齿类动物上得到了更加细致的研究（如图3）(20-22)。通过短暂地干扰一个脑区的活动，同时记录其它脑区的活动，研究者可进一步了解脑区间信息传递的因果关系和信息特征。比如，干扰丘脑会显著影响额叶脑区的工作记忆活动(10)，这也说明单一脑区并不足以维持工作记忆。

近年的一些研究指出，这种在不同脑区的分布式存储也使得记忆编码更稳定，更能抵抗外界的干扰。不同脑区受到外界干扰物的影响不尽相同，背外侧前额叶皮层被认为可以抑制干扰项 (23)，而当一个脑区存储的信息受到扰动时，也会有其他脑区帮助信息回补，从而维持记忆的稳定性(24, 25)。

结语

总的来说，在不同的工作记忆任务中，随着存储信息本身的性质和策略的不同，各脑区的编码特征和重要性不尽相同。从存储细节到抽象概念，再到转化为决策信息，各脑区既有分工而又相互依存、保持信息交流，共同构成一套大脑的“缓存”系统。工作记忆的分布式存储，使得我们的大脑可以灵活地存储各类信息、根据任务需求调整资源分配，也使得维持的信息更加稳定，不会轻易受到干扰而引发错误。而这种分布式网络，很可能是大多数认知功能以及意识的共同特性。

参考文献

1.C. F. Jacobsen, FUNCTIONS OF FRONTAL ASSOCIATION AREA IN PRIMATES. Archives of Neurology & Psychiatry33, 558-569 (1935).

2.K. H. Pribram, M. Mishkin, H. E. Rosvold, S. J. Kaplan, Effects on delayed-response performance of lesions of dorsolateral and ventromedial frontal cortex of baboons. Journal of Comparative and Physiological Psychology45, 565-575 (1952).

3.J. M. Fuster, G. E. Alexander, Delayed response deficit by cryogenic depression of frontal cortex. Brain Research20, 85-90 (1970).

4.J. M. Fuster, G. E. Alexander, Neuron Activity Related to Short-Term Memory. Science173, 652-654 (1971).

5.G. J. A. Dale Purves, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, Richard D. Mooney, Michael L. Platt, and Leonard E. White, Neuroscience 6th Edition. (Oxford University Press, Incorporated, 2018).

6.T. B. Christophel, P. C. Klink, B. Spitzer, P. R. Roelfsema, J.-D. Haynes, The Distributed Nature of Working Memory. Trends in Cognitive Sciences21, 111-124 (2017).

7.Edward F. Ester, Thomas C. Sprague, John T. Serences, Parietal and Frontal Cortex Encode Stimulus-Specific Mnemonic Representations during Visual Working Memory. Neuron87, 893-905 (2015).

8.K. K. Sreenivasan, M. D’Esposito, The what, where and how of delay activity. Nature Reviews Neuroscience20, 466-481 (2019).

9.Charles D. Kopec, Jeffrey C. Erlich, Bingni W. Brunton, K. Deisseroth, Carlos D. Brody, Cortical and Subcortical Contributions to Short-Term Memory for Orienting Movements. Neuron88, 367-377 (2015).

10.Z. V. Guo et al., Maintenance of persistent activity in a frontal thalamocortical loop. Nature545, 181-186 (2017).

11.K. Svoboda, N. Li, Neural mechanisms of movement planning: motor cortex and beyond. Current Opinion in Neurobiology49, 33-41 (2018).

12.S.-H. Lee, D. J. Kravitz, C. I. Baker, Goal-dependent dissociation of visual and prefrontal cortices during working memory. Nature Neuroscience16, 997-999 (2013).

13.A. Nieder, Supramodal numerosity selectivity of neurons in primate prefrontal and posterior parietal cortices. Proceedings of the National Academy of Sciences109, 11860-11865 (2012).

14.J. Vergara, N. Rivera, R. Rossi-Pool, R. Romo, A Neural Parametric Code for Storing Information of More than One Sensory Modality in Working Memory. Neuron89, 54-62 (2016).

15.B. Spitzer, F. Blankenburg, Supramodal Parametric Working Memory Processing in Humans. The Journal of Neuroscience32, 3287 (2012).

16.M. Ohbayashi, K. Ohki, Y. Miyashita, Conversion of Working Memory to Motor Sequence in the Monkey Premotor Cortex. Science301, 233-236 (2003).

17.Zengcai V. Guo et al., Flow of Cortical Activity Underlying a Tactile Decision in Mice. Neuron81, 179-194 (2014).

18.E. K. Miller, C. A. Erickson, R. Desimone, Neural Mechanisms of Visual Working Memory in Prefrontal Cortex of the Macaque. The Journal of Neuroscience16, 5154 (1996).

19.G. Rainer, S. C. Rao, E. K. Miller, Prospective Coding for Objects in Primate Prefrontal Cortex. The Journal of Neuroscience19, 5493 (1999).

20.C. A. Duan et al., A cortico-collicular pathway for motor planning in a memory-dependent perceptual decision task. Nature Communications12, 2727 (2021).

21.H. K. Inagaki et al., A midbrain-thalamus-cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate movement. Cell185, 1065-1081.e1023 (2022).

22.Y. Wang et al., A cortico-basal ganglia-thalamo-cortical channel underlying short-term memory. Neuron109, 3486-3499.e3487 (2021).

23.M. Suzuki, J. Gottlieb, Distinct neural mechanisms of distractor suppression in the frontal and parietal lobe. Nature Neuroscience16, 98-104 (2013).

24.Simon N. Jacob, A. Nieder, Complementary Roles for Primate Frontal and Parietal Cortex in Guarding Working Memory from Distractor Stimuli. Neuron83, 226-237 (2014).

25.N. Li, K. Daie, K. Svoboda, S. Druckmann, Robust neuronal dynamics in premotor cortex during motor planning. Nature532, 459-464 (2016).

作者简介

陈夏：北京大学-清华大学生命科学联合中心在读博士生，目前主要研究方向为多任务的神经编码机制，感兴趣的方向包括高级认知任务中多脑区的信息交流机制、信息在神经网络中的整合和转化等。

郭增才：清华大学医学院副教授，清华-北大生命科学联合中心、清华IDG/麦戈文脑科学研究院研究员，博士生导师。主要研究方向为工作记忆的神经机制，以小鼠为模式系统，结合光遗传学操控、多通道电生理、双光子成像和定量行为学研究多脑区的神经网络对工作记忆的产生及维持的作用，并通过开发全脑快速成像方法绘制相关脑区长程投射神经元的精细结构。一系列的研究成果以第一/通讯作者在Nature、Nature Methods、Neuron (3篇)、Cell Reports、Molecular Psychiatry、PNAS等国际核心学术刊物上发表。近年主要成果包括：通过构建了研究脑区间功能性连接的高通量方法，系统绘制清醒小鼠顶部皮层区域到丘脑的功能性连接图谱，发现了各皮层脑区对丘脑各区域的因果性影响；研究皮层-基底节-丘脑-皮层环路对皮层神经活动的调控作用，确立了该环路对认知活动的重要作用。现为《Science Advances》等期刊的编委。

特别鸣谢：

中国细胞生物学学会神经细胞生物学分会进行科普审稿

原标题：《【科学普及】大脑的“缓存”系统在何处》

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