罗欢课题组Nature Human Behaviour揭示揭示人脑工作记忆中的层级折叠机制
2024年11月7日，北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所的罗欢课题组与浙江大学丁鼐课题组的合作研究成果，题为“Two-dimensional neural geometry underpins hierarchical organization of sequence in human working memory”，正式在《Nature Human Behaviour》上发表。这项研究揭示了人脑工作记忆系统中的层级折叠重组机制。
人类的记忆系统并非简单的硬盘或缓存，而是一个具有不精确性和构建性的复杂系统。就像整理衣橱一样，我们的工作记忆会对外界信息进行重新组织，以更高效地利用有限的存储容量。例如，一串数字在记忆中会被分成多个组块，每个组块又可以包含更小的子组块。这种层级化的组织方式可以有效地压缩、存储和提取信息，从而提升记忆的泛化能力、容错性和组合性。
课题组设计了具有自然层级特性的字词序列，让人类受试保持在工作记忆中，通过脑电图、脑磁图记录人脑活动，探究该序列在工作记忆中的神经几何表征模式。研究发现，该一维序列并不是以一维链条或一维组块的形式在工作记忆中存储，而是被重组织到一个二维几何空间上。该平面包含两个近乎正交的表征轴，分别对应整体位置（序列中的组块序号）和局部位置（组块中的元素序号）。简而言之，一维序列依照层级化组织被“折叠”存储在二维表征空间中。这种二维几何模式不仅在多种实验材料和多种实验任务的脑活动中一致出现，也反映在人类的行为，即记忆的错误模式分布上。进一步，神经活动中的层级模式强度和人类行为中的层级特性相互关联。
层级序列在工作记忆中的折叠存储
从更广泛的角度来看，层级化折叠是一种高效的信息组织方式，例如自然界中的蛋白质折叠、社会群体的层级结构等等。层级结构也被认为广泛存在于人类的各种认知过程中，包括语言、音乐、运动、决策和执行控制等。本研究首次在人脑的工作记忆中发现了层级化折叠的全新神经机制及其对记忆行为的重要作用，为脑认知和类脑人工智能等领域提供了“结构化”的重要启发和全新思路。
折扇比喻——人脑工作记忆对序列信息的层级化折叠
北京大学心理与认知科学学院博雅博士后范莹为论文的第一作者，北京大学罗欢研究员、浙江大学丁鼐研究员为本文共同通讯作者，北京大学王牧之博士、方方教授为本研究做出重要贡献。研究获得国家科学和技术创新2030重大项目、国家自然科学基金委重点项目、创新研究群体项目、中国博士后科学基金项目资助。该研究是实验室近年来序列工作记忆研究的开创性拓展 (eLife, 2018, 2021, 2024; Journal of Neuroscience, 2021; Progress in Neurobiology, 2021; Cerebral Cortex, 2023)。
Fan, Y., Wang, M., Fang, F., Ding, N.*, Luo, H.* (2024) 2-D Neural Geometry Underpins Hierarchical Organization of Sequence in Human Working Memory. Nature Human Behaviour. DOI: 10.1038/s41562-024-02047-8