王立平团队Current Biology：从感官刺激到工作记忆的神经转化新证据

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2025年3月13日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平研究组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology在线发表题为“Oscillatory control over representational geometry of sequence working memory in macaque frontal cortex”的研究论文。该研究通过在清醒猕猴上进行高通量电生理记录，发现了局部场电位的θ振荡能够灵活调控序列工作记忆任务内感觉与记忆信息的群体编码，以促进感官刺激向工作记忆的转化。

人类日常生活中大量的行为模式都以对序列的记忆为基础。例如为了学会广播体操，骑自行车，弹吉他等由多个复杂动作组成的行为时，我们需要准确的记得组成它们的每一个具体动作以及这些动作的先后顺序。这就需要我们的大脑不仅能编码这些动作本身，还要准确地将这些动作信息和正确的次序关联起来。在之前的研究中，序列工作记忆的表征可以被拆分为两部分：一为与序列次序无关的、对感官刺激的表征，一为与序列次序相关的，更稳定的记忆内容表征1，2；至于前者如何转化为后者则尚未得到充分研究。近期的相关理论发展指出对工作记忆的灵活操作可能依赖于分布在不同大脑皮层空间位置的局部场电位振荡来执行3，但缺少对应的实验证据。

为了研究大脑如何把多个事件绑定到对应的次序上，亦即完成感官刺激到序列工作记忆的转换，研究人员训练猕猴完成了视觉空间序列的记忆任务。猕猴需要观察屏幕上依次出现的圆点，并记住这些圆点的位置和顺序，随后按照正确的顺序依次汇报 （图1上半）。在猕猴完成任务的同时，研究人员利用高通量电生理技术同时记录了猕猴额叶中神经元的放电活动和局部场电位活动（图1左下）。利用群体神经元的分析，研究人员首先说明了圆点的位置信息在绑定对应顺序前后的神经表征。在绑定对应次序前，不同顺序上的位置信息首先都由同一个次序无关的（即更类似感觉刺激本身表征的）子空间编码；随后绑定了对应次序的位置信息会分别转移到不同的次序相关的子空间中，并保存在记忆中（图1右下）。

图1：在猕猴执行视觉空间位置序列排序任务时（每个试次内含2个空间位置，组成一个需要被维持并根据图片提示正向/逆向汇报的序列），神经元群体与局部场电位在刺激呈现后形成与次序无关/相关的子空间；作为控制信号的θ（Theta, 4-8 Hz）振荡并不形成与次序相关的子空间。

那么，从次序无关的子空间到次序相关的子空间这一信息编码的转换究竟是受到什么信号控制呢？研究人员分析了从2Hz到120Hz各频段局部场电位振荡和任务的相关性，结果发现，只有θ（4-8Hz）振荡和任务信息最为相关，并且倾向于出现在圆点呈现后上述子空间发生转换的时间附近。利用θ振荡的相位和神经元放电时刻的相关性分析，研究人员发现，当第一个圆点呈现后，θ振荡特异性地调制了和第一个圆点记忆子空间相关的神经元；当第二个圆点呈现后，θ振荡则特异性地调制了和第二个圆点记忆子空间相关的神经元 （图2）。当给猕猴呈现的序列长度增加到3个圆点时，θ振荡的这种调制规律仍然成立。并且当猕猴记忆发生错误时，这种调制关系也随之消失。

图2：各个视觉刺激所对应的神经元集体活动在θ振荡控制——于电生理数据中体现为神经元活动的θ相位一致性，或称峰电位-场电位同步性（spike-field coherence, SFC）——下从次序无关的子空间分别进入对应的次序相关子空间。

本项研究由此得出结论：猕猴额叶θ振荡通过选择性地调制特定神经元，控制事件信息绑定对应次序的绑定，从而产生有次序的序列记忆。此类“振荡调制”的机制不仅在对序列工作记忆的理解上迈出了坚实一步，也为类似需要根据环境需求进行灵活调控的其他认知功能/活动提供了新的探索方向。对大脑内的序列绑定操作增进理解也可能为如语言生成类脑机接口等应用场景铺路。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心副研究员方文和助理研究员姜曦为该研究的共同第一作者，博士生陈静文和副研究员张聪为该研究做出了重要贡献，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究员为该论文的通讯作者。该工作获得国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和上海市的经费资助。

本文参考文献（上下划动查看）

1. Xie, Y., Hu, P., Li, J., Chen, J., Song, W., Wang, X.J., Yang, T., Dehaene, S., Tang, S., Min, B., and Wang, L. (2022). Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex. Science 375, 632-639. https://doi.org/10.1126/science.abm0204.

2. Chen, J., Zhang, C., Hu, P., Min, B., Wang, L. (2024). Flexible control of sequence working memory in the macaque frontal cortex. Neuron 112, 1-13. https://doi.org/ 10.1016/j.neuron.2024.07.024.

3. Lundqvist, M., Brincat, S.L., Rose, J., Warden, M.R., Buschman, T.J., Miller, E.K., Herman, P. (2023). Working memory control dynamics follow principles of spatial computing. Nature Communications 14, 1429. https://doi.org/10.1038/s41467-023-36555-4.

相关论文信息

相关论文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Current Biology上

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