空间计算实现灵活的工作记忆

大脑将节律应用于皮层的物理补丁，以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。

需要工作记忆的常规任务，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，一条黑麦 350 分钟为 45 度，饼干为 325 度 <> 分钟)。

一项新的研究解释了大脑如何明确地管理这种认知需求的一般和特定组成部分。

这项由麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所、卡罗林斯卡研究所和瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的科学家领导的研究表明，大脑在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补丁，作者称之为“空间计算”。

这个系统在研究的动物实验中很明显，解释了即使特定内容不断变化(如面包与饼干的时间和温度)，大脑如何轻松保持对过程的一致理解。它还回答了神经科学家关于工作记忆基础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，然后我将内容切换到F，D和E，你不会错过任何一个节拍，“麻省理工学院大脑与认知科学系皮考尔教授厄尔·K·米勒说，他是皮考尔学习与记忆研究所的成员， 以及《自然通讯》该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。

工作记忆的工作原理

米勒实验室多年的研究表明，工作记忆任务是由目前在卡罗林斯卡的主要作者Mikael Lundqvist领导的，这些研究表明，工作记忆任务是由不同频率的大脑节律相互作用控制的。

较慢的β波携带有关任务规则的信息，并在需要执行诸如存储来自感官的信息或在需要召回时读出信息等操作时选择性地屈服于更快的伽马波。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。有些人会因为响应与其他人不同的任务规则而变得更加电兴奋或“尖峰”，即使他们的信息不相关，他们通常也倾向于至少在某种程度上尖峰。

那么，这些相当不精确的节奏如何才能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?为什么尖峰与特定项目相关的神经元是分散和多余的?是什么让一个特别属于“350度”的神经元在必须存储信息时振作起来，而另一个拥有这些信息的神经元在需要召回时振作起来?

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补丁。这些斑块是由β波和伽马波的模式决定的。

“通过分析多年来的许多单个神经元，我们一直想知道为什么这么多神经元的行为看起来相似，”Lundqvist说。

“无论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类似的活动模式。这些模式从一个任务切换到另一个任务。似乎在前额叶皮层内更紧密的神经元更经常共享相同的模式。它开始让我们思考，记忆表征实际上可能在前额叶皮层中动态流动以实现任务规则。

假设你的朋友在健身房打电话给你，要求你取回他们不小心留在储物柜里的手表。这需要将挂锁拨盘转到组合中的数字(例如，24、17、32)。空间计算说，当你听到组合时，你的大脑会为每个步骤(第一、第二、第三)创建不同的补丁。

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

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居住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，所有的神经元都可能被伽马波激发，但代表符合规则的项目的神经元将尖峰最大。

“通过这种方式，记忆表征可以动态重塑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哪种刺激无关，”KTH的共同资深作者Pawel Herman说。“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久修复的。这些补丁可以来来去去，无论它们在大脑碰巧为手头的任务形成它们的地方需要多长时间。大脑中没有永久性的“记住烤箱温度”补丁。

“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，他们做了四个实验预测，关于动物在玩工作记忆游戏时应该观察到什么，比如按顺序记住一组图像。

第一个预测是，应该有关于规则和单个项目信息的不同神经信号。事实上，研究小组测量到波浪爆发携带规则信息。与此同时，单个神经尖峰携带着单个项目和任务规则的混合，与它们代表单个项目一致，并对其施加特定的规则。

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，无论单个项目是否发生变化。

果然，研究人员发现，对于不同的规则，伽马爆发有不同的位置，即使每个项目在每场比赛中都不同，这些位置也能保持稳定。

最后的预测是，脑电波的活动应该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。

研究人员看到了不同的脑电波模式，即大脑何时必须将图像存储在内存中，何时必须回忆起“正确”的图像。一般来说，在召回期间比在储存期间，β波的减少更多，神经元的峰值更大，面积更广。

这篇论文并没有回答关于工作记忆的所有问题。目前尚不清楚在一个补丁中编码特定信息的神经元如何与另一个补丁中的兄弟相关联，或者大脑如何控制补丁。更多的研究可以回答那些关于空间计算新理论含义的进一步问题。