认知神经科学中最有趣的谜题之一是理解心理操作背后的神经机制。例如，当你学习一个简单的算法运算时，比如分数，你不仅给运算赋任意形状“-”或“/”，而且还将程序分解成相对简单的原语(例如分子和分母)及其关系。艾伦·图灵首先发现了这个神秘的心理程序，认为它是所有认知的基础。在工作记忆(WM)中，大脑是如何按照特定的顺序对一系列事物进行分类的，这在很大程度上仍然是未知的。

2024年9月27日，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）王立平团队在Science 在线发表题为“Mental programming of spatial sequences in working memory in the macaque frontal cortex”的研究论文，该研究利用高通量电生理记录研究了猕猴额叶皮层的心理分类，猕猴根据视觉线索记忆和分类向前或向后的空间序列。

该研究发现WM中每个有序秩的项被编码在单独的秩-WM子空间中，然后根据线索在子空间之间进行维护或重新排序，在两个操作步骤中伴随着两个额外的临时子空间。此外，提示活动作为一个索引信号来触发排序过程。因此，该研究提出了一个完整的概念框架，其中前额神经状态的神经景观转换是序列WM心理编程的符号系统的基础。

想象你正在和你的朋友打牌。你正在实现排序算法：纸牌不断地按照数字、花色等重新排序，以获得获胜的手牌。序列排序，或在工作记忆(WM)中对多个顺序不同的项目进行心理操作，对于日常活动至关重要，例如计划、导航、演讲或解决算术问题。

WM是对正在进行的认知任务所必需的信息的短期维持和控制。尽管在过去几十年里，WM维持的性质一直是WM研究的重点，但对WM的控制或操纵更为复杂，研究得很少。先前的研究表明，一种控制——WM“门”——可以调节信息进入(和离开)WM。然而，WM控制不仅仅是一种通用的门机制，因为项目信息可以被转换、排序等，因此需要神经系统执行更精细的操作，例如在WM中创建和重新排序代表单个项目的神经集成。

前额皮质被认为参与WM的维持和控制。在序列WM (SWM)任务中，每个等级的一个项目被进入并存储在前额叶皮层中分离的低维等级子空间中。虽然在SWM中，自我序列可以以一种组合的方式维持，但很少有证据表明动物是否可以在心理上操纵序列，而且在单个神经元和群体水平上，额叶皮层中SWM心理分类的神经和计算机制仍未被探索。

神经状态空间中的心理规划（图源自Science）

除了学习心理操作之外，人类还能够将这些操作转换为离散的内部变量，从而建立复杂的符号系统，从自然语言到数学或音乐符号。例如，当你学习一个简单的算法操作时，比如加法或减法，你给这些操作分配任意形状“+”或“-”，这个过程被称为索引关联。许多动物也能掌握类似的抽象联想；Nieder和他的同事在猕猴的前额叶皮层和乌鸦的尾侧窝中发现了关联神经元，将任务相关的视觉信号与数值联系起来。然而，仍然缺乏一个完整的概念框架来解释我们的大脑如何将学习到的联想组合成一个可操作的离散变量，以进行进一步的行动。

研究人员训练两只猴子执行视觉空间延迟序列排序任务。在每次试验中，在样本期间，视觉上呈现两个或三个项目长度的空间序列，而猴子则保持对屏幕中心点的注视。每个序列项都是从六边形环的六个空间位置中的一个随机抽取的(没有替换)。在第一个延迟期间，猴子必须在记忆中保持顺序位置。根据视觉线索(例如，两张不同的图片)，猴子被要求保持或颠倒序列的顺序，然后在第二次延迟期间保持结果序列WM，以便以后回忆。此外，猴子不仅要学会心理分类，还需要逐渐将离散的视觉线索与不同的反应规则联系起来，将心理分类转化为不同的符号。

在行为上，猴子可以在一次又一次试验的基础上在心理上重复或颠倒顺序，并通过对屏幕上的位置进行适当的顺序触摸来报告它们。额叶皮层的电生理记录显示，在第一次延迟期间，序列WM中每个等级的空间位置被编码到单独的等级-WM子空间中，然后在第二次延迟期间保持或交换规则线索。通过在两个并行操作步骤中使用两个额外的临时子空间来实现以独立视觉线索子空间中的神经活动为索引的心理排序。在子空间中识别的活动准确地预测了猴子回忆的物品或订单信息，即使在单错误试验中也是如此。

总之，该研究利用高通量电生理记录研究了猕猴额叶皮层的心理分类，猕猴根据视觉线索记忆和分类向前或向后的空间序列。该研究发现WM中每个有序秩的项被编码在单独的秩-WM子空间中，然后根据线索在子空间之间进行维护或重新排序，在两个操作步骤中伴随着两个额外的临时子空间。此外，提示活动作为一个索引信号来触发排序过程。因此，该研究提出了一个完整的概念框架，其中前额神经状态的神经景观转换是序列WM心理编程的符号系统的基础。

【本文来源】 iNature 作者：枫叶

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