2024年6月15日，《Science Advances》在线刊出了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室邢大军课题组的研究论文：“Neuronal representation of visual working memory content in the primate primary visual cortex”。该研究使用多通道阵列电极1，记录了猕猴初级视皮层（V1）神经元在其执行视觉工作记忆任务时的电生理活动，揭示了视觉工作记忆信息在灵长类视觉皮层中的编码规律。
人类的意识体验在很大程度上依赖于视觉化的过程2–4。例如，当我们维持记忆时，一些记忆内容似乎会自然地浮现在我们眼前。视觉工作记忆的功能支持了这种将意识内容视觉化的能力。记忆与视觉的关联不断地驱动科学家们在大脑的视觉系统中探索视觉工作记忆的表征机制5,6。然而，初级视觉皮层的神经元活动是否以及如何编码视觉工作记忆的内容却仍是一个未解之谜。
作者基于猕猴在执行经典的视觉工作记忆行为范式——延迟匹配任务下的神经元活动（图1A），首先观察了V1的电生理信号（spikes）在猕猴记忆不同朝向的光栅图片时的反应差异。研究发现，不同的记忆内容朝向在记忆维持期间触发了不同强度的神经元活动（图1C）；作者进一步引入了两种不同类型的视觉记忆刺激：颜色和面孔。通过综合量化这些记忆内容的调制强度，研究初步验证了视觉工作记忆内容确实可以调制V1神经元在记忆维持期间的活动（图1F）。
图1 A. 猕猴执行的延迟匹配任务示意图。B. 电极的植入位置。C. V1神经元活动能够区分不同的视觉工作记忆内容。D-E. 在猕猴回答错误和仅进行被动注视的条件下，神经元对记忆内容的区分性不如正确回答时明显。F. 通过结合不同类型的记忆材料（颜色和面孔），进一步验证了V1神经元活动的记忆特异性。
一个关键问题在于， V1作为一个核心功能是编码外部视觉输入的脑区，其在编码工作记忆内容时是否会沿用与表征视觉刺激相同的模式。然而，作者却发现视觉中的内容与记忆维持期间的信息无法相互解码（图2A&B），这表明V1在表征视觉工作记忆内容与表征外部视觉刺激时的神经元编码模式可能存在差异。作者进一步地从三个神经元信息编码的要素上对视觉与记忆的神经元编码模式进行了对比：反应强度、调谐排行和神经元的功能连接关系（图2C），综合地证明了V1神经元对视觉工作记忆内容的表征并非其对外部视觉刺激反应的简单“再激活”。
图2. A-B. 视觉工作记忆内容的动态解码结果。C. 三种神经元信息编码要素的示意图。D. 神经元活动在记忆维持期降至自发放水平。E. 神经元对视觉刺激的反应偏好与对记忆内容的偏好之间没有明显的关联。F-H: 神经元的功能连接在从视觉加工阶段过渡到记忆延迟期间发生了明显的变化。
考虑到V1对视觉工作记忆的表征并非源自其对外部视觉刺激的“再激活”，文章提出了一种假设，认为这种记忆的表征可能受到长时记忆的影响。为了检验这一假设，作者训练猕猴执行了一项联想任务（association task；图3A），即将颜色刺激与光栅刺激按照作者预设的绑定规则进行匹配。这使猕猴看到特定的光栅线索刺激时，它们会预期与之匹配的、存储于长时记忆中的特定颜色。结果显示，V1神经元的记忆内容表征在训练的早期与晚期表现出明显差别（图3C&D）。作者通过进一步分析（图3E&F），发现在联想任务训练的晚期，V1的神经元记忆表征更贴近猕猴预期的记忆内容（颜色）的表征（图3G-I）。这表明猕猴的长时记忆可能是塑造V1神经元对视觉工作记忆内容表征组织的关键源头。
图3 A.联想任务示意。B.猕猴在任务中的熟练度逐渐提升。C-D. 在训练的早期与晚期，V1神经元对记忆内容的表征表现出显著差异，而对视觉刺激本身的表征则没有发生变化。E-I.在联想任务训练的晚期，V1神经元的记忆表征更贴近猕猴预期的记忆内容（颜色）的表征，同时与线索刺激（光栅朝向）的记忆表征相距更远。
在论文的最后一部分，作者探讨了V1对视觉工作记忆内容的表征是否受限于其对视觉刺激表征的皮层拓扑空间。研究发现，即使将需要记忆的线索刺激放置在所记录神经元的空间感受野外（图4A），V1仍能有效地表征记忆内容（图4B&C）。基于这一特性，作者进一步通过实验设计改变了猕猴的内源注意的位置，观察到记忆表征的空间范围随着猕猴内源注意位置的移动而发生相应的变化（图4D）。这些结果表明，V1对视觉工作记忆内容的表征并不受传统神经元空间感受野的局限，并可以通过内源注意，主观地实现空间上的动态调整。
图4 A.线索刺激被放置于不同空间位置。B. 线索刺激在不同位置的记忆任务中的神经元反应。C. 即便线索刺激位于神经元感受野之外，神经元在记忆维持期的反应仍能有效表征记忆内容。D. 改变猕猴的内源性注意位置后，神经元记忆表征的空间范围随之调整，而对视觉刺激的表征没有变化。
作者通过一系列视觉工作记忆相关的实验，验证了V1神经元对视觉工作记忆内容的表征能力。论文发现，V1神经元表征视觉工作记忆的方式与其表征外部视觉刺激的方式存在显著差异。这种在视觉系统中的记忆表征不仅具有高度的意识可控性，还受到动物长时记忆内容的影响。此项研究多角度地填补了工作记忆表征在初级视觉皮层神经电生理层面的实证空白，并为未来深入探索大脑视觉系统如何编码和处理记忆信息开辟了新的道路。
该论文第一作者为北师大已毕业的黄见操博士（现为普林斯顿博后），通讯作者为北师大邢大军教授。北师大已毕业博士王天、戴伟枫、李洋、杨祎、张艳歌、武宇洁和在读博士研究生周婷婷对此项工作也做出了重要贡献。该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2022ZD0204600）、国家自然科学基金（32171033和32100831）和中国博士后科学基金（2021M690435）的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adk3953
参考文献
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6. Leavitt, M. L., Mendoza-Halliday, D. & Martinez-Trujillo, J. C. Sustained Activity Encoding Working Memories: Not Fully Distributed. Trends Neurosci. 40, 328–346 (2017).
