2024年12月19日，PLOS Biology期刊在线发表了题为“The representation of abstract goals in working memory is supported by task-congruent neural geometry”的研究论文，该研究由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）俞青研究组完成。研究人员运用脑电（EEG）和功能性核磁共振成像（fMRI）记录人类被试在维持与使用抽象工作记忆时的大脑活动，揭示了大脑表征高级抽象任务信息的神经编码模式，增进了对基于抽象任务记忆进行认知控制的神经机制的理解。
对信息的短暂存储与操作，即工作记忆，是大脑实现推理、逻辑运算、复杂决策等高级认知功能的基础。想象你晚上回到家准备做一道简单的番茄炒蛋：你可能不参照菜谱就知道需要准备番茄、鸡蛋和糖等食材，但是仅仅准备具体食材还不够，我们还需要对食材按照一定的目标进行相应的操作，例如洗、切、炒、混合等等，才能最终做出美味的晚餐。近年工作记忆研究主要关注大脑对具体内容记忆的神经编码。然而，大脑如何编码非具体但又至关重要的任务目标信息，以及抽象目标神经表征如何影响记忆的具体内容表征以完成复杂的认知控制功能？这些问题还没有明确的答案。
为了理解以上问题，俞青组研究人员设计了一种新型的工作记忆范式，将维持抽象任务与具体内容信息的要求相结合（图1A）。其中，具体记忆刺激和抽象任务目标都来自于任务设计的结构化空间：具体记忆刺激空间由物体的颜色（红绿）和尺寸（大小）两个互相独立的维度构成；与此对应地，抽象目标空间也由对颜色和对尺寸变换两个正交的维度组成，总共有「变大+变绿、变大+变红、变小+变绿、变小+变红」四个种类（图1B）。这种多维可量化的设计使得研究人员可以对神经活动在表征空间内形成的结构提出假设，并采用多变量数据降维等分析方法进行验证。实验中，被试首先要维持一个随机提示的任务目标，在第一个延迟期后需要额外记住新出现物体的颜色和尺寸，最后在第二个延迟期结束后报告根据任务目标对物体的颜色和尺寸进行变换的结果。
研究人员首先测量了被试在进行抽象工作记忆任务时的脑电活动，并对任务目标在神经表征空间形成的结构进行量化。研究人员发现，大脑前、中和后部电极的神经活动都呈现了与任务设计的目标空间一致的二维表征结构（图1C）。更有趣的是，不同位置电极内的二维目标结构在时间上展现出了明显区别：前部电极首先在提示期和第一个延迟期出现此类结构，中部电极在第二个延迟期开始前展现，后部电极则在第二个延迟期结束前才开始出现。进一步地，前、后部电极的二维目标表征结构都与行为有显著关联，即二维结构越强，被试的记忆与正确答案越接近。这种空间与时间的差异性使研究人员提出进一步的问题：不同位置电极中的目标表征结构是独立产生的，还是自前向后传递的？如果是后者，何种神经机制可以负责传递的过程？研究人员发现，二维目标结构可能是通过额叶至后部theta波段振荡（FMT）的耦合传递到脑后部的，且这种传递的功能可能是结合抽象任务目标与具体内容信息，以产生变换后信息的表征（图1D）。
图1. A. 实验任务设计。B. 设计的任务目标空间与具体记忆刺激空间。C. 左：脑电信号在前、中、后部电极二维目标表征强度的时间进程。右：前部和后部电极在不同时间点内目标表征结构的可视化结果。D. 显著的FMT区间以及与二维目标表征强度（第一行散点图）和二维具体记忆表征强度（第二行散点图）的相关性分析结果。
研究人员进一步运用fMRI探究与任务设计一致的二维目标表征结构的空间分布情况（图2A）。与脑电实验结果相似，在第一个延迟期任务目标的二维表征集中在额叶的内外侧，而在第二个延迟期，这类表征的分布向包括视觉脑区在内的大脑后部移动。功能连接分析表明，二维目标表征可能通过前后脑区的功能连接传递至后部视觉脑区。特别地，与内侧额叶相比，外侧额叶（例如下中央前沟，iPCS）的连接强度与任务更加相关（图2B）。
图2：A. 对第一和第二个延迟期fMRI BOLD信号进行searchlight分析重构出全脑范围内二维目标表征强度的结果。B. 有显著二维目标表征的脑区前后的功能性连接与二维目标表征强度（左一、二），二维具体内容刺激表征强度（左三），以及与行为指标（左四、五）的相关性分析结果。
两个实验共同表明，大脑可以表征与任务一致的抽象任务目标结构，这种任务相关神经表征首先在额叶形成，通过功能连接机制向大脑后部传递，在视觉相关皮层与具体内容表征结合，达到灵活操控并改变具体信息的任务目标。这项研究揭示了抽象信息工作记忆的神经编码模式，以及不同时空间分布的目标表征的功能差异，为大脑实现复杂认知控制的神经机制提供了新的见解。
俞青研究组的博士后张梦雅为该研究论文的第一作者，俞青研究员为该论文的通讯作者。该研究获得了中国科学院、科技部、基金委、上海市、中国博士后科学基金会的资助。
