2024年8月22日，《Neuron》期刊在线发表题为《猕猴额叶皮层对序列工作记忆的灵活控制》的研究论文，揭示了额叶皮层对信息的灵活排序过程。该研究由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）王立平研究组和临港实验室闵斌研究组合作完成。通过在清醒猕猴上进行高通量电生理记录，发现在猕猴额叶皮层内存在对感觉信息和序列工作记忆信息可分离的群体编码，在不同群体神经元的动态活动反映了大脑对序列工作记忆的灵活控制。
你是否曾在旅游时为如何安排一天的行程而纠结？想去玩的景点有abc,先去必看的景点a，然后再去b和c，还是根据路线的便利性先去景点c。在日常生活中我们经常会遇到需要像规划旅行一样灵活地对事件进行排序的情况。大脑就像一台精密的机器，能够灵活且精细的控制着记忆中的不同信息（图1）。
图1：就像抓物机从众多元素中选择所需的元素并将其放置在正确的位置一样，大脑额叶皮层也能够根据需要控制各个元素进行恰当的排列。（绘图：吴汶倩）
为探究大脑如何灵活地控制事件信息及其顺序，研究人员训练猕猴进行视觉空间位置序列的排序任务(图2)。在每个试次中，猕猴需要记住屏幕上闪现的1至3个视觉空间位置的序列，并在不同实验组中分别以正向（Forward）或逆向（Backward）的方式调整信息的顺序进行汇报。
图2：视觉空间位置序列排序任务。在每个试次中，一个包含1,2或者3个空间位置的序列（序列内的空间位置不会重复）会闪现在屏幕上。猴子需要记住呈现的序列，并且用正向（Forward）或者逆向（Backward）的方式汇报出来。
研究人员利用高通量电极阵列在猕猴额叶皮层记录大量的神经元活动，进行神经元群体分析发现，在额叶皮层中，存在可拆分的四个子空间：一个感觉信息子空间和三个记忆子空间；外界刺激首先进入公用的感觉子空间，其反映输入的空间位置信息，之后通过额叶的控制分别分配到不同记忆子空间，用于存储不同次序的空间位置信息（图3）。
明确了游玩的景点abc后,什么时候前往哪个景点该如何规划？结合各个景点的天气状况，灵活地调整旅行计划可以帮我们尽情地享受旅行的乐趣。同样大脑额叶皮层也会依据不同的任务条件，适时地将各个信息分配到相应的记忆子空间进行储存。比如序列abc，a信息在正向任务中，在第一个刺激出现进入感觉空间后即被分配到记忆子空间-1；而在逆向任务中，会被分配到记忆子空间-3中，由于序列长度的不确定性导致分配进子空间的时间产生延迟。同时，这种信息分配和排列的机制不仅适用于处理长度为3的序列，还可以扩展到其他长度序列的条件（图3）。
图3： 信息在额叶皮层在空间上和时间受到灵活的控制。虽然输入的信息都是同样的(abc)，它们会先进入一个共同的感觉子空间，然后根据不同的任务条件下在不同的时候被分配到不同的子空间。
结论
这一研究揭示了额叶群体神经元在编码序列工作记忆中精细的神经动态，反映出额叶皮层在序列工作记忆方面潜在的更为普遍和抽象的控制机制。阐明额叶皮层对复杂认知的组合分解原理和其动态精确控制计算机制是理解高级认知功能的必要条件。
该研究由博士研究生陈静文，博士后张聪和研究助理胡沛烑在闵斌研究员和王立平研究员的指导下完成。该工作获得国家自然科学基金委、中国科学院和上海市的经费资助。