灵长类动物额叶皮层中序列工作记忆的灵活控制
研究背景
在我们日常生活中，顺序工作记忆（Sequence Working Memory，简称SWM）至关重要，例如填写出生日期时，需要将年份、月份和日期按特定顺序回忆并排列。然而，大脑如何实现顺序记忆中的信息控制以及如何在不同的任务需求下对信息进行灵活排序，目前仍是神经科学领域未解的谜题。为了深入探索这一过程，Jingwen Chen等学者在《Neuron》期刊发表了《Flexible Control of Sequence Working Memory in the Macaque Frontal Cortex》。研究由中国科学院神经科学研究所、美国纽约大学心理学系、上海临港实验室等单位的研究人员联合开展，通过对猕猴大脑前额叶的电生理记录，研究了猕猴在执行前向和反向记忆任务中的神经动态与顺序记忆控制机制。
研究目的
研究旨在揭示在执行顺序工作记忆任务时，大脑前额叶神经活动的组织和动态特性，探讨是否存在独立的低维感觉和记忆子空间来承载工作记忆内容，从而支持灵活的记忆控制。此外，研究还关注了单个错误试验中的神经活动，期望通过对比正确与错误的神经反应，进一步理解大脑在顺序记忆控制中的执行过程。
研究方法与流程
研究团队在猕猴前额叶和前运动皮层区域植入了157通道微驱动电极阵列，通过电生理记录系统采集猕猴在执行顺序记忆任务时的神经活动信号，具体实验流程如下：
实验设计与任务设置
实验训练了三只猕猴（代号为O、G、L），学习并完成延迟顺序排序任务。任务分为“前向排序”和“反向排序”两种：在“前向排序”中，猕猴需按照呈现顺序触摸屏幕上的相应位置；在“反向排序”中，猕猴需按相反顺序触摸呈现的项目。任务中，研究者随机展示1到3个不同空间位置的项目，猕猴在短暂延迟期后，根据任务要求复述呈现序列。
神经记录与单神经元响应
电生理数据记录中，共记录了6,790个神经元的活动。研究团队分析了单神经元的响应特性，发现神经元活动分为“刺激触发”和“延迟维持”两类。部分神经元在刺激呈现时显示对特定项目的短暂编码，而另一些神经元则在延迟期内展示了持续性活动，结合项目的空间信息和顺序信息，具有联合编码特征。研究进一步发现这两类活动的神经元并非独立存在，而是在单个神经元水平上深度交织。
前向任务中的前额叶神经子空间动态
在前向任务中，研究人员通过低维度分解技术，识别出了一个“感觉子空间”和三个“记忆子空间”，分别对应不同的记忆层级。在感觉子空间中，项目信息在刺激结束后300毫秒内迅速衰退，而在记忆子空间中，项目信息则得以持续维持，形成了稳定的环形结构，这表明不同的记忆内容在大脑的神经状态空间中被有序地独立表示。
反向任务中的灵活控制机制
在反向任务中，猕猴需要将项目逆序回忆并依次进入记忆子空间。研究者发现反向任务中顺序控制机制更为复杂，要求对记忆子空间的选择进行灵活控制。不同于前向任务，在反向任务中，项目信息在刺激呈现完毕后逐步进入相应的记忆子空间，且根据任务长度和顺序要求，项目进入子空间的时间有所不同。这一过程反映出大脑中存在灵活的控制机制，能够根据任务需求对信息流的顺序和时间进行调整。
研究结果
神经子空间的识别与独立性
研究表明，大脑前额叶在顺序记忆任务中，能够将感觉信息和记忆信息分布于不同的低维子空间中，通过分别控制这些子空间的激活状态，实现信息的灵活控制和维护。前额叶中的神经元不仅能够在同一神经群体内表现出感觉和记忆的分离，还展示了独立的、接近正交的低维子空间，这种子空间的动态变化与任务需求密切相关。
单次试验中的神经预测
研究者通过分析错误试验中的神经活动，发现即使在发生错误的情况下，神经动态也能精确预测猕猴的行为类型（顺序错误或项目错误）。例如，当猕猴在顺序任务中发生项目顺序混淆时，项目信息会在错误的记忆子空间中被记录，显示出大脑控制系统的误操作。此外，分析发现当错误项目与目标项目位置相近时，目标和错误项目在延迟期内会存在干扰或竞争现象。这一发现验证了子空间控制机制能够在错误时模拟正确操作，揭示出顺序记忆的神经动态过程。
神经控制的灵活性
研究还进行了跨任务的推广测试，即探讨前向和反向任务间的神经子空间的共享程度。研究发现，猕猴的前额叶神经活动不仅能够在两个任务中表现出子空间的共享，且这些子空间能够灵活地根据任务要求进行动态调整和组合。这表明大脑的控制系统具备高度灵活的抽象控制能力，能够在不同任务需求下调整信息的流向，以满足多样化的记忆排序任务需求。
研究结论与意义
这项研究揭示了顺序工作记忆控制在猕猴前额叶神经群体中的动态组织方式，提出了一种通用的控制模型，能够支持灵活的顺序工作记忆过程。研究表明，大脑通过组织低维子空间，将感觉信息与不同记忆层级的顺序信息分别存储，并在前额叶神经元群体内灵活调控，进而支持灵活的排序任务。这一机制在认知神经科学领域具有重要意义，为理解工作记忆的神经机制提供了新的视角。
研究亮点
创新的子空间分解方法：本研究通过低维子空间分解技术，展示了顺序记忆中的感觉和记忆信息的独立子空间表示。
灵活的记忆控制机制：大脑能够在不同任务需求下灵活地对记忆信息进行排序和选择，展现了前额叶神经群体在认知控制中的灵活性。
单次试验预测的神经精度：研究表明即使在错误条件下，神经动态也能精确预测猕猴的错误类型，为理解记忆控制过程中的神经编码提供了支持。
应用前景
该研究在神经科学和认知控制领域具有重要应用价值。通过对大脑控制信息流的灵活性与顺序记忆的组织方式的探索，可为人工智能、脑机接口以及认知障碍的治疗策略提供借鉴。