罗欢课题组揭示基于共享结构的工作记忆压缩机制
2024年6月19日，北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在eLife期刊在线发表题为“Shared structure facilitates working memory of multiple sequences” 的学术论文，并被推荐为eLife digest。该论文发现了基于共同结构的多维度信息的工作记忆压缩现象，并揭示其背后的神经序列重演机制。
该论文被eLife评价为：采用了一种新颖实验范式漂亮地展示出人们如何利用信息的结构来克服工作记忆容量（eLife statement：This valuable study uses a novel experimental design to elegantly demonstrate how we exploit stimulus structure to overcome working memory capacity limits. The presented behavioural and neural evidence are solid and in line with the proposed information compression mechanism. This study will be of interest to cognitive neuroscientists studying structure learning and memory.）
工作记忆容量被认为是智力的一个重要预测指标。为了克服有限的工作记忆容量，大量行为研究发现人们会自发利用多个信息间的共同规律去压缩信息。然而，这些研究一般仅考虑单一维度信息，背后神经机制也不清楚。为了回答上述两个问题， 研究团队设计了多维度刺激序列记忆任务并结合脑电图记录解码大脑对多维度记忆信息的表征。
具体来说，三个不同颜色的圆盘顺序呈现在不同的空间位置，被试的任务是记住颜色序列以及空间位置序列，即需要记住两个不同维度信息的序列，并在回忆阶段，先重复空间位置序列，再重复颜色序列。研究团队操控了圆盘在颜色空间与位置空间中路径距离的一致性。如下图所示，在路径对齐条件(Aligned trajectory, AT), 颜色地图中1st 颜色到2nd颜色的距离等于空间地图中1st 位置到2nd 位置的距离，同时2nd 颜色到3rd颜色的距离也等于2nd 位置到3rd位置的距离。而非对齐条件(Aligned trajectory, MAT)下，路径长度在两个维度之间不一致。
图1:实验范式
行为层面上，具有共同结构的序列条件（ AT）的记忆精确度显著高于具有不同结构的序列条件（MAT），且AT条件下，被试对于路径长度记忆偏差在两个维度之间高度相关。该结果说明被试利用两个维度所共享的路径结构在工作记忆中对两个序列进行压缩存储。具体来说，相较于独立记忆三个颜色和三个空间位置，被试仅记忆第一个圆盘的颜色和第一个空间位置，以及它们所共享的结构路径。
图2:行为表现。(ABC) 对于空间位置以及颜色的记忆精度。(D)路径记忆偏差在两维度之间的相关
神经机制层面主要有两个发现。首先，仅在AT条件下，即两个序列具有共享路径结构时，当被试回想空间序列时，其脑电活动中会自发出现颜色序列的顺序重激活。此外，仅在AT条件下，神经活动中出现共同路径的重激活，且其激活强度与记忆相关指标显著相关。该结果表明，两个序列通过共同的路径结构被压缩在一起，通过自发的神经重演和压缩路径编码来对信息在工作记忆中进行重组织，进而克服工作记忆容量限制。
图3:颜色信息在位置信息回想阶段的重激活。(A)左边:AT条件；右边:MAT条件。(B)两条件之间的差异。
图4:路径结构信息的表征。(ABC) 1st-2nd, 2nd-3rd , 1st-3rd路径表征。(C)1st-2nd路径重激活与行为表现的关系。
综上，该研究采用了一种新颖实验设计，从行为和神经结果上一致展示了人类利用跨维度信息所共享的结构来克服工作记忆容量限制，进而实现信息在工作记忆中的有效组织。课题组以往的序列工作记忆研究发现了神经序列重演对于工作记忆信息保存的重要作用(Huang et al., 2018, 2021)， 本研究则进一步探索了神经重演在跨维度序列信息的整合和压缩中的核心作用。
本研究获得国家科学和技术创新2030重大项目、国家自然科学基金重点项目。已毕业的北京大学心理与认知科学学院黄巧莉博士（目前在德国马普所人类认知与脑科学研究所从事博士后研究工作）为本文第一作者以及共同通讯作者。北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所的罗欢研究员为本文的共同通讯作者。
原文链接
https://elifesciences.org/reviewed-preprints/93158