“空间计算”使灵活的工作记忆成为可能

需要工作记忆的例行任务，如烘焙，涉及记住一些一般规则（例如从食谱中读取烤箱温度和时间，然后将它们放在烤箱上）和每个实例的一些特定内容（例如 350 度 45 分钟一条黑麦面包，但 325 度 8 分钟饼干）。一项新研究为大脑如何明确管理此类认知需求的一般和特定组成部分提供了新的解释。

三角形代表神经元。颜色代表它们编码的特定信息。椭圆代表斑块，其中脑电波代表任务规则。例如，示例 1 可能是要记住的第一条指令。在任务的特定实例中，代表示例 1 中呈现的内容（例如，黄色三角形）的神经元将在示例 1 补丁中出现最多峰值。由麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所、瑞典斯德哥尔摩 Karolinksa 研究所和 KTH 皇家理工学院的科学家领导的研究表明，大脑在大脑皮层中为每个一般规则创造了不同的空间，并通过大脑节律控制这些斑块， a作者称之为“空间计算”的概念。

该系统在该研究的动物实验中很明显，它解释了即使特定内容不断变化（例如面包与饼干的时间和温度），大脑如何能够轻松地保持对过程的一致理解。它还回答了神经科学家一直在努力解决的关于工作记忆背后的生理操作的几个问题。

“你的大脑可以立即概括。如果我教你遵循一些规则，比如记住 C、A 和 B 并将它们按字母顺序排列，然后我将内容切换为 F、D 和 E，你就不会错过任何一个节拍”麻省理工学院 Picower 学习与记忆研究所的 Picower 教授 Earl K. Miller 说，他也是Nature Communications研究的共同资深作者。“你的大脑可以做到这一点，因为它代表了不同物理尺度的规则和内容。一个可以插入另一个。”

工作记忆运作

Miller 实验室多年的研究表明，工作记忆任务受不同频率的大脑节律的相互作用控制，其中大部分研究由现在卡罗林斯卡大学的主要作者 Mikael Lundqvist 领导。较慢的 β 波携带有关任务规则的信息，并在需要执行操作（例如存储来自感官的信息或在需要回忆时读出信息）时选择性地屈服于较快的伽马波。

但是这些波在数百万个神经元的网络上运行，其中只有一小部分实际上存储了在任何特定时间相关的单个信息项。此外，携带特定物品信息的神经元随处可见。有些人会因为与其他人不同的任务规则而变得电兴奋或“尖峰”，并且即使他们的信息不相关，他们也往往至少会在某种程度上出现尖峰。

那么这些相当不精确的节律如何在正确的时间选择性地控制正确的神经元来做正确的事情呢？为什么尖峰信号与特定项目相关的神经元分散且多余？是什么让一个特定于“350 度”的神经元在必须存储该信息时活跃起来，而另一个具有该信息的神经元在需要回忆时活跃起来？

研究人员意识到，所有这些问题都可以通过空间计算理论来解决。代表信息项的单个神经元可以广泛分散在皮层周围，但应用于它们的规则是基于它们所在的网络的补丁。这些补丁由 β 和伽马波的模式决定。

“多年来，通过分析大量单个神经元，我们一直想知道为什么这么多神经元表现得相似，”Lundqvist 说。

“不管他们是否喜欢相同的外部刺激，许多神经元在工作记忆期间共享相似的活动模式。这些模式从一个任务切换到另一个任务。而且似乎前额叶皮层内靠得更近的神经元更经常共享相同的活动模式模式。这让我们开始思考，记忆表征实际上可能会在前额叶皮层中动态流动，以执行任务规则。”

假设您的朋友在健身房给您打电话，要求您取回他们不小心落在储物柜中的手表。这需要将挂锁拨盘转到组合中的数字（例如 24、17、32）。空间计算表示，当您听到组合时，您的大脑会为每个步骤（第一步、第二步、第三步）创建不同的音块。

在每个补丁中，代表该特定步骤组合数的神经元在规则相关时被应用的伽马波特别兴奋（即“第一个”补丁中有 24 个，“第二个”补丁中有 17 个，“第三个”补丁中有 32 个“ 修补）。

通过这种方式，编码特定信息项的单个神经元可以通过控制它们所在的斑块的脑电波选择性地与一般规则相关联。在任何给定的补丁中，所有神经元都可能会因伽马波而有些兴奋，但代表符合规则的项目的神经元将出现最多的峰值。

KTH 的共同资深作者 Pawel Herman 说：“通过这种方式，可以动态重塑记忆表征以适应当前的任务需求，而与单个神经元的连接方式或它们喜欢的刺激无关。” “这可以解释我们在新情况下令人印象深刻的泛化能力。”

这并不是说任何补丁都是永远固定的。这些补丁可以来来去去，无论需要多长时间，只要大脑恰好为手头的任务形成它们。大脑中没有永久性的“记住烤箱温度”贴片。

“这给了大脑灵活性，”米勒说。“认知就是灵活性。”

实验证据

研究人员不只是在理论化。为了在真实的物理大脑中测试空间计算，他们对动物玩工作记忆游戏（例如按顺序记住一组图像）时应该观察到的内容做出了四项实验预测。

第一个预测是关于规则和单个项目信息应该有不同的神经信号。事实上，该团队测量到波浪的爆发携带着规则信息。同时，单个神经尖峰携带单个项目和任务规则的混合体，与它们代表单个项目并对其施加特定规则一致。

第二个预测是规则信息应该在空间上组织，第三个预测是只要游戏规则保持不变，这些规则执行的空间模式应该是一致的，无论单个项目是否改变。果不其然，研究人员发现，对于不同的规则，伽马暴有不同的位置，并且即使在每场比赛中个别项目发生变化时，这些位置也会保持稳定。

最终的预测是，脑电波的活动应该会导致神经尖峰活动在正确的时间代表正确的信息。这也反映在实验观察中。研究人员看到了大脑何时必须将图像存储在记忆中以及何时必须召回“正确”图像的不同脑电波模式。一般而言，与存储期间相比，回忆期间的 β 波减少更多，神经元尖峰更多且分布范围更广。

该论文并未回答有关工作记忆的所有问题。目前尚不清楚，在一个斑块中编码特定信息的神经元如何与另一个斑块中的同类神经元相关联，或者大脑如何控制这些斑块。更多的研究可以回答有关空间计算新理论含义的进一步问题。