神经振荡与工作记忆信息保持

谢远俊,李艳艳,杨立昊,李丽华,徐西良

(1. 信阳学院教育学院，河南 信阳 464099； 2. 空军军医大学第一附属医院，陕西 西安 710032)

工作记忆(working memory)作为一个短暂存储和操作少量信息的记忆系统[1]，是许多高级认知功能(如言语、推理)的认知“枢纽”[2].Baddeley和Hitch提出工作记忆的多成分模型，将工作记忆的控制成分(中央执行单元)和存储成分进行分离[3].工作记忆中的存储成分包括视觉存储系统(视觉空间面板)和言语存储系统(语音环)，分别用来保持视觉与空间信息、言语与声音信息，而情景缓存器(episodic buffer)作为一个新的存储成分则可以用来存储数量有限的多种类型信息(如位置和特征)[4].工作记忆的一个重要功能是保持特定的信息用以执行将来的认知任务.也就是说，当信息进入工作记忆，必须被短暂地保持在特定缓存器中，并能够快速提取和转换，用于之后的认知加工.因此，工作记忆研究的一个重要问题是：当外部刺激消失后，这些信息是如何被保持和表征的[5].神经影像学的研究发现，前额叶皮层、后部大脑皮层和皮层下结构在工作记忆的信息保持过程中出现广泛的激活[6].那么，这些解剖结构相互独立的脑区是如何在短时间内进行信息沟通、协调，从而有效地保持工作记忆的信息表征呢？虽然工作记忆信息保持的神经机制还不是非常清楚，但根据Hebbian的细胞集群理论(cell assembly theory)，神经元群的持续性反射活动是其潜在的神经基础[7].

大量神经元持续性反射或同步发放在宏观水平表现上为周期性和连续性的波动变化即神经振荡(neuronal oscillation)[8].通过脑电图(electroencephalograph，EEG)、脑磁图(magnetoencephalographic, MEG) 以及在体的多电极记录等神经电生理学技术，在头皮或颅内采集神经元群的放电(spike)信号，可以转换为不同频率的神经振荡.典型的神经振荡包括theta(4～8 Hz)、alpha(8～12 Hz)、beta(12～30 Hz)和gamma(30～100 Hz)等.本文重点综述不同频率的神经振荡在工作记忆保持阶段的作用及潜在机制，并提出将来研究应关注的问题.

1 神经振荡在工作记忆保持阶段的主要功能

神经振荡与工作记忆的信息保持加工密切相关[5].但神经振荡的具体功能是什么，在保持阶段发挥怎样的作用，目前还没有完成达成共识.综合已有研究结果，在工作记忆的保持阶段，神经振荡可能具有3个重要功能，包括信息保持、干扰抑制和注意控制.

1.1 信息保持

工作记忆的一个重要功能是可以同时保持多个记忆项目.那么，当多个记忆项目连续呈现时，工作记忆是如何保持这些序列记忆的表征？研究表明，theta神经振荡对序列记忆项目的保持起着关键作用.

Theta神经振荡最早发现于动物的海马-内嗅皮层系统，源于谷氨酸和多巴胺能神经元的交互作用[9]，通过相位进动(phase precession)编码空间位置信息[10].中线前额叶theta神经振荡也参与工作记忆的信息保持[11].EEG研究指出，在保持多种类型的序列记忆材料过程中，研究者观察到theta的活动增强.比如，Jensen和同事采用数字作为记忆材料，向被试连续呈现1个、3个、5个或7个数字，同时记录被试在记忆保持过程的EEG信号.他们发现，在数字材料保持阶段，被试前额叶theta活动的增强，而且记忆负荷的增加与theta的功率增强呈单调递增关系，表现出记忆负荷的关联效应[12].随后，Onton等使用相似的实验方法，以连续出现的8个辅音字母作为记忆材料，在字母材料保持阶段也观察到前额叶皮层theta的活动增强[13].Hsieh等的研究指出，与保持特定的单个记忆项目相比，保持序列呈现的记忆项目时，前额叶皮层theta的活动更强[14]，进一步证实theta的神经振荡与序列记忆项目的保持有关.人类和动物的神经影像学研究也表明，前额叶皮层支持序列信息的加工，该皮层损伤会影响到序列记忆表现[15].当然，序列记忆项目的保持过程相对比较复杂，可能涉及信息表征的精细组织、特定项目在特定位置的编码以及执行控制等加工过程[16].而且随着记忆项目的增加，需要更多的注意资源分配到记忆加工上，导致保持的记忆表征的精度降低[17].

Theta神经振荡对连续呈现多个记忆项目的保持，主要是通过theta的频率在不同相位的瞬时放电，从而形成对多个记忆项目的离散表征；或者利用theta的相位编码与其他频率的神经振荡(如gamma)的交互作用来实现[18].当然，对于单个或同时呈现的记忆项目的保持，theta神经振荡也同样发挥重要作用[19].

1.2 干扰抑制

工作记忆的信息加工需要有意识地保持任务相关的信息而有效地排除任务无关信息的干扰.在工作记忆的保持过程中，发挥干扰抑制功能的主要是alpha神经振荡.在人类的EEG研究中，alpha是最早发现的神经振荡.在静息或者闭眼状态下alpha的活动特别显著，但在认知任务中alpha的活动反而被抑制.研究表明，alpha的活动增强与大脑皮层的去活化有关，反映抑制干扰信息能力的提高[20]；而alpha的活动减弱与大脑皮层的激活有关，反映特定神经元群的活动性或去抑制功能的增强[21].

许多研究一致性地指出，在工作记忆保持阶段，alpha的活动出现增强.Jensen等的研究指出，当被试保持字母材料时，在顶-枕叶区域观察到alpha的活动增强，并表现出记忆负荷的关联效应[22].其他研究者也报道类似的发现[23].尽管存在不同的看法(认为alpha活动也参与认知加工)，但比较一致性的观点认为：alpha的活动增强主要反映的是干扰抑制功能[24]，即一方面阻止对先前存储信息的提取[25]，另一方面防止内在干扰如思维游移或外在干扰(如无关刺激)进入当前信息存储的脑区[26]；目的是保证当前存储的记忆表征免受干扰[27]，使当前保持的信息在随后的任务中可以被顺利提取.相关研究也支持alpha的干扰抑制说.比如，EEG/MEG的溯源分析发现，增强的alpha活动通常出现在任务无关脑区或工作记忆核心神经网络之外[28].

1.3 注意控制

注意可区分内源性注意(对内部信息的选择和调节)和外源性注意(对感觉信息的选择和调节)[29].工作记忆则涉及这两种注意加工的交互作用.但在工作保持阶段，占据主导地位的可能是内源性注意或自上而下的注意控制.因为，信息保持涉及非常复杂的加工，不但需要有效地保持信息本身，还需要选择性地移除当前不再需要的信息，不断更新任务相关信息，从而促进信息的提取和进一步加工[30].研究表明，beta和gamma神经振荡可能反映工作记忆保持过程自上而下的注意控制.产生于下丘脑-基底神经节核团的beta神经振荡不仅与感觉运动有关[31]，还与工作记忆有着紧密联系[32].以人类和动物为被试的研究[33]均指出，保持多种类型信息(如色块和音节)，前额叶皮层和其他脑区(如颞中皮层)出现beta的活动增强.研究也发现，在保持不同类型的信息表征(如视觉形状、空间位置和听觉纯音)，前额叶皮层和相关脑区也出现gamma的活动增强[34-36].

前额叶皮层是工作记忆的核心大脑网络，不仅可以保持信息表征[37]，也是注意控制依赖的关键脑区[38].因此，前额叶皮层beta和gamma的活动增强可能涉及工作记忆保持阶段的注意控制加工.而beta和gamma注意控制可能主要表现在：聚焦所保持的相关信息[39]、移除不再相关的记忆表征[30]、控制信息在大脑皮层之间的传输(通过反馈机制使其他脑区在保持过程维持激活)[40].

2 工作记忆保持阶段的神经振荡远程同步化

神经振荡的远程同步化(long-range synchronization)是认知加工的重要机制，指的是神经振荡在不同脑区之间的相关性[41]，可以通过谱相干(spectral coherence)和相位锁值(phase-locking value)进行量化[42].保持任务相关的信息表征需要不同脑区的协调与沟通[43]，而神经振荡的远程同步化有助于实现这种功能[44].

EEG研究表明，在视觉工作记忆信息(线性画)保持阶段，前额叶皮层和颞-顶皮层的theta的活动出现远程同步化[45]，并且可能涉及对捆绑特征(如字母和位置)的保持[46].类似的研究也发现，当被试保持复杂视觉形状时，在额-顶皮层和视觉皮层出现alpha、beta、gamma的远程同步化[47].神经振荡的远程同步化与保持记忆项目数量呈现记忆负荷的关联效应[48]，并可以预测到个体的工作记忆容量.

神经振荡的远程同步化可以协调不同大脑功能网络的活动，建立不同大脑皮层之间的连接，从而增强神经元群之间的信息通信[41]、协调记忆表征在不同脑区(特别是从前部脑区到后部脑区)之间的转换，并可以对整个保持过程进行控制，从而在神经系统水平上促进不同类型信息的保持加工.

3 工作记忆信息保持的神经计算机制

3.1 动态控制理论

神经振荡反映认知加工背后宏观尺度上神经元群的相互作用，是理解认知过程潜在神经机制的窗口[49].Dipoppa和Gutkin根据不同频率的神经振荡在工作记忆保持过程的作用，利用神经计算建模的方式将神经振荡和工作记忆信息保持的计算操作联系起来，提出神经振荡的动态控制理论，阐释了不同频率的神经振荡在工作记忆信息保持过程的功能意义[50].

该理论认为，工作记忆保持过程可以定义为不同的状态，由此产生3种门控模型：gate-in(加载刺激、激活神经元群)、selective-gating(保持加载的信息、阻止分心刺激)和gate-out(擦除记忆痕迹，为新的刺激加载做准备).而神经振荡频率可以在不同的门控模型之间快速转换，从而实现必要的计算操作.具体来说，beta和gamma神经振荡在任务开始时，启动工作记忆进入到“gate-in”的状态(快速地从基态转换到持续性的激活状态)，加载刺激并产生记忆表征；随着转换到theta神经振荡，工作记忆进入“selective-gating”状态(保持刺激表征并防止分心刺激的干扰)；而在任务完成时，alpha神经振荡进入“gate-out”模式，快速清除记忆痕迹.前额叶皮层可以调节神经振荡在保持过程的动态变化，通过选择适当的门控模型，允许输入的信息被加载、保持或移除.

3.2 频率嵌套理论

前已述及，theta神经振荡在保持工作记忆序列呈现的记忆项目上起着关键作用.在此基础上，Lisman等提出频率嵌套(frequency nesting)理论，对序列记忆项目的保持提出神经计算机制上的解释[51].该理论指出，高频神经振荡(如gamma)是嵌套在低频神经振荡(如theta)之内，两种频率的神经振荡形成一致性的跨频耦合(cross-frequency coupling).也就是说，大脑皮层(比如海马)的神经元群在一个特定的gamma神经振荡循环持续放电从而形成一个空间模式，用来存储特定的记忆项目；而持续的gamma神经振荡循环是嵌套在theta神经振荡的相位上，并保持同步化放电.通常特定的4～8个gamma神经振荡镶嵌在一个theta神经振荡的周期内；通过这样的频率嵌套，多个序列呈现的记忆项目就能够存储在工作记忆子系统.研究也发现，枕叶和颞叶皮层的gamma神经振荡循环也可以被嵌套在alpha神经振荡的相位之中，用以保持多个记忆项目[52].该理论在一定程度上可以解释工作记忆的容量有限性[53].因为，嵌套在theta神经振荡中的gamma神经振荡循环最大数量与工作记忆广度具有高度相关性[54].

后去极化(after-depolarization)可能是该理论的突触机制[55].在神经振荡过程中，大脑会释放五羟色胺、乙酰胆碱等神经递质.当缺乏这些神经递质时，神经元放电会引发后超极化(after-hyperpolarization)，导致神经元兴奋性的瞬时降低；而当这些神经递质被释放时，神经元放电会引发后去极化，导致神经元兴奋性的瞬时性提高.如果一个神经振荡周期触发的后去极化能够促进下一个神经振荡周期的神经元放电，后去极化就能够在多个神经振荡周期中得到刷新，神经元放电则可以在多个神经振荡周期之间得以维持.从而可以使产生低频神经振荡(如theta)的神经元维持放电并保持在正确的相位，产生高频神经振荡(如gamma)的神经元用来存储特定的记忆项目.

4 工作记忆保持阶段的神经振荡活动：瞬时性还是持续性神经元放电

研究表明，在整个工作记忆保持阶段，对神经元放电或神经振荡是持续性的还是瞬时性的认识，目前仍然存在分歧.经典理论认为，工作记忆的信息保持是通过大脑皮层神经元持续性放电实现的[56].通过在体的多电极记录技术、电生理学的研究发现，当需要被试(如灵长类动物)保持不同类型的信息如视觉刺激(几何形状、复杂图形、运动方位)、听觉刺激(声波脉冲)，甚至触觉刺激(触觉振动)时[57-60]，在特定的大脑皮层如前额叶皮层、听觉皮层、感觉皮层都能观察到持续性的神经元放电活动.这种持续性放电依赖于皮层锥体神经元谷氨酸微环路的周期性激活[61].神经元的持续性放电依赖于被试是否具有正确的记忆保持；对于错误的记忆保持，持续性的神经元放电活动会减弱或消失[62].所以，持续性的神经活动可以使神经环路处于适宜的状态，有助于保持相关信息表征.

但是也有研究者指出，大脑皮层特别是前额叶皮层在工作记忆保持阶段的持续性神经元放电活动，表征的仅仅是运动准备而不是信息保持[63].而且，持续性的神经元放电容易受到干扰，很难同时保持超过2个记忆项目；另外，通过试次平均得到的结果，也可能忽视认知过程的时间因素，不能用来描述持续性的神经活动现象[64].有研究者提出，工作记忆保持阶段神经元放电活动是“稀疏”(sparse)或瞬时性的而不是持续性的[33].当猴子保持图片信息时，在猴子的前额叶皮层记录多个神经元的局部场电位(local field potation)信号，并通过单个试次水平的分析观察到瞬时的gamma的活动增强[65].研究发现，工作记忆信息保持阶段，持续性神经放电活动是不稳定的；当出现分心刺激时，放电活动就会消失(只有注意返回到任务刺激，放电活动才会重新出现)[37].

工作记忆保持过程出现的两种神经活动模式——持续性和瞬时性，其观点对立的焦点可能在于研究方法的差异性.前者在神经组织中记录的是神经元动作电位(神经元受到刺激时在静息电位的基础上产生可扩散的电位波动，是离子通过膜通道流量变化的结果；主要成分是峰电位，反映的是跨膜离子的电位差)，而后者在神经组织中记录的是局部场电位(电极周围神经组织中神经元突触后电位的总和，概括地反映电极附近局部空间内神经元集群突触活动所产生的电场变化).记录的神经元动作电位在经过多试次平均后看起来是连续的，而局部场电位的振荡信号则是随时间变化的.

但是这两种看似对立的观点本质上并不冲突，甚至可能是兼容的.因为，神经元动作电位的发放与局部场电位的振荡之间密切相关[66]；使用相同的任务、在相同的大脑皮层，可以同时观察到这两种神经活动模式[67]；二者的锁相性也是工作记忆信息保持(特别是序列记忆项目)的重要机制[68].

5 小结与展望

综上所述，在工作记忆保持阶段可以观察到不同频率的神经振荡.这些神经振荡不仅参与信息本身的保持，还涉及对干扰信息的抑制以及自上而下的注意控制.而神经振荡的远程同步化能够促进不同大脑皮层在工作记忆信息保持过程的沟通和协调.动态控制理论和频率嵌套理论是信息保持的潜在机制.尽管研究者对工作记忆保持过程神经活动模式(持续性或者瞬时性)的认识存在一定分歧，但二者并不存在本质的差异.将来的研究可以关注以下几个方面的问题.

第一，不同频率神经振荡在工作记忆保持过程的功能作用大部分是推测性的，需要提供更多直接证据加以检验.因此，将来可以着重探讨神经振荡与信息保持的因果关系.经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)是一种非侵入性神经刺激技术，通过对头皮施以特定频率的电磁脉冲刺激，调节大脑皮层的兴奋性或抑制性.通过TMS调谐的脉冲振荡作用于大脑皮层，可以模拟对大脑的局部“损伤”，观察“大脑损伤”对行为的影响，从而能够推理出脑-行为的因果关系.TMS-EEG结合技术，可以在实施TMS刺激时，实时记录脑电信号.这种技术已经应用到工作记忆研究[69].将来的研究可以考虑利用TMS-EEG结合技术，把TMS脉冲作用于工作记忆任务的保持阶段，同步记录EEG信号.分析EEG信号的时频特征，并结合行为任务表现，探讨神经振荡在信息保持过程中的因果性作用.

第二，EEG和MEG信号的空间分辨率相对较低，基于采集传感器或头皮电流密度的拓扑学分布来定位神经振荡的脑内发生源并进行功能连接分析，其结果并不非常精确.在将来的研究中，可以对EEG和功能磁共振的数据进行融合，利用功能磁共振研究提供的相对精准的功能定位坐标，指导EEG的源定位和功能连接分析.通过多模态数据的融合分析，构建工作记忆信息保持过程中神经振荡的关键脑区之间的交互作用，相对全面地理解大脑功能网络在信息保持中的作用.

第三，工作记忆研究所采用的材料是相对比较简单的刺激，缺乏一定的生态效度.而我们生活在一个多感觉信息汇聚的世界，大脑随时接收和处理来自多个感觉通道的信息[70].大脑会对接收的多感觉信息会进行整合，形成统一的、一致性的心理表征，用以快速感知、理解外部世界.将来的研究可以考虑设计工作记忆多感觉信息(如听觉-视觉联合)实验任务，采用具有一定生态效度的实验材料，考察在相对真实情境中信息保持的神经振荡特性.

第四，工作记忆信息保持的相关机制是基于神经计算模型的可能解释，其适用性亟需实验数据的验证.将来的研究可以利用神经解码技术如多变量模式分析(multivariate pattern analysis)，通过高效的机器分类学习算法，解码工作记忆所保持信息表征的类型、特征，检验信息表征与神经振荡的关联，并对相关的理论模型进行验证.