Nature丨大脑如何优化我们的工作记忆表征？

工作记忆（working memory, WM）指的是个体在执行认知任务中, 对信息暂时储存与操作的能力，相比短时记忆多出了信息加工的阶段。如在简单的的Go/no-go 任务中只需要动物对感觉刺激做出反应，不涉及工作记忆；而如果需要动物判断某两种气味是否存在关联后再做出选择，则需要工作记忆的加工过程。

在研究工作记忆和其他需要时间延迟任务的过程时，延迟期（delay period）和延迟后期（late-delay period）常被用来理解大脑在处理和维持信息时的活动情况。延迟期是指在任务中，呈现刺激（如视觉、听觉或嗅觉刺激）和需要产生响应之间的时间间隔，在这段时间内，受试者需要在没有外界刺激的情况下维持或操作工作记忆中的信息，这与大脑内侧前额叶（medial prefrontal cortex，mPFC）的活动密切相关；延迟后期是延迟期的最后一部分，常被认为是工作记忆维持过程中最关键的阶段，此时需要维持和操作的信息量最大，并且大脑即将从维持状态转向响应状态。

那么工作记忆的神经表征如何在学习过程中生成、维持，以及随着表现的提升来逐渐优化呢？2024年5月15日，在Nature上发表的一篇名为Volatile working memory representations crystallize with practice的研究中，研究者们通过记录了同一神经元群体在动物整个学习过程中的活动模式，探讨了两个重要问题：

1、在小鼠学习并逐渐达到良好任务表现的过程中，神经元对工作记忆的表征在时间上的稳定性如何变化？

2、这些表征在提升任务表现中有什么作用？

行为学表现评估

研究者训练小鼠进行了一项嗅觉延迟关联工作记忆任务。在这个任务中，小鼠处于渴水状态并且头部固定。首先会给小鼠呈现1秒钟气味A或B，经过5秒的延迟期后，再次呈现1秒气味C或D。如果气味C紧随气味A后呈现，或气味D紧随气味B，那么在第二种气味呈现后的3秒选择期内，小鼠可以通过舔舐面前的水嘴得到水奖励。在训练后，小鼠在其他气味组合出现时学会了不进行舔舐，且仅在3秒的选择期舔舐，对于气味组合判断的准确率可达到94.2 ± 1.3%。

为了确保小鼠在不同气味组合下的神经元放电活动表征的是工作记忆而不是小鼠的行为，研究者们测定了小鼠在呈现不同气味组合时舔舐时间的分布、瞳孔直径变化，爪部的运动情况以及前肢速度的分布，发现这些表现均无显著差异，说明神经元对不同气味组合的响应与小鼠自身行为无关。

延迟后期的神经元活动模式至关重要

在完成一系列行为学测试后，研究者们想要探究次级运动皮层（secondary motor cortex, M2）神经元在执行该项嗅觉关联工作记忆任务中的作用，首先通过注射muscimol进行双侧抑制实验证明了M2对小鼠完成工作记忆任务至关重要。

之后，研究者们利用光遗传学技术，通过在任务不同阶段打光抑制表达stGtACR2的神经元来探究M2究竟在哪个阶段发挥关键作用。结果表明，仅在延迟期的第四和第五秒、第二种气味呈现期间以及早期的选择阶段抑制M2神经元会显著降低小鼠在任务中的表现。此外，在延迟期后期抑制M2神经元虽然会影响小鼠在工作记忆任务的表现，但在学习任务时不是必须的，因为一旦停止抑制，小鼠的表现会很快恢复。

M2包含任务相关的选择性神经元

通过使用介观双光子钙成像（mesoscopic two-photon calcium imaging）记录小鼠在执行任务时M2L2/3神经元的活动，研究者们发现，将近一半的神经元会在第一个气味刺激期、早期延迟期、延迟后期和选择期中的一个阶段产生响应，但仅在某一个阶段放电的神经元很少，更多的神经元在多个任务阶段都会产生强烈的放电。此外，在整个学习过程中，那些在延迟期放电的延迟期神经元（delay cells）的活跃程度变化不大，然而，在刚开始训练时小鼠中延迟期神经元的数量明显较少。

此外，电极实验也记录到了在气味选择的延迟后期放电的神经元，证明了钙成像记录到的在延迟期响应的神经元活动并不是钙瞬变衰减造成的假象。

延迟后期的M2神经元活动蕴含着工作记忆相关信息

通过使用支持向量机（SVM）构造解码器，研究者进一步探究是否不同神经元群体的放电活动蕴含着工作记忆相关信息，发现在使用气味期或延迟期所有神经元的放电信息时，气味的种类和小鼠的选择行为都能被成功解码。延迟后期相比于气味期需要更多的神经元来达到解码准确性，t-SNE的结果也证明了延迟后期的表征可能是更高维的。

此外，研究者同时记录了M1/ M2，RSA/M2的神经元活动，发现虽然三个区域的神经元活动都能解码选择，只有M2神经元在延迟后期的放电能解码气味的种类，M1和RSA神经元在延迟后期的放电都无法对解码气味做出贡献。

之后，研究者们让小鼠进行一个特定气味组合与是否获得奖励无关的任务，在该情况下，气味期响应的神经元处于气味期和早期延迟期的电信号可以准确解码出气味种类，但是处于延迟后期及之后时间的放电则无法用来成功解码；在延迟后期有响应的神经元的活动也无法用于解码气味种类。这可能是由于当奖励结果与呈现的刺激之间缺乏特定关联时，延迟后期的神经元活动缺乏工作记忆表征。

此外，使用小鼠做出正确决定的试验中的延迟后期神经元活动解码气味的准确性显著高于使用错误试验，因此延迟后期对于第一个气味的表征与小鼠做出的选择行为密切相关。

延迟后期的神经元选择性在学习后出现

研究者们连续10天对同一群L2/3 M2神经元的活动进行记录，观察其在小鼠开始学习到具有良好表现的整个过程的表征变化。随着学习逐渐增强，在各个任务时期有选择性响应的神经元的比例都不断增大。值得注意的是，在延迟后期放电能表征气味的神经元只有在小鼠学会任务后才会出现。此外，在学习初期，没有神经元可以编码A-C气味组合或B-C气味组合，而在学会后，少数神经元可以对AC气味都响应或对BC气味都响应，且这些神经元的放电能编码气味组合。

神经元活动模式随时间趋于稳定

之前的结果预示着M2神经元的响应会随时间逐渐发生深刻改变，单个神经元对某个阶段的选择性响应在不同的试验间差别很大，几乎不会在试验间维持稳定。且在动物开始具有良好任务表现时，延迟后期的放电活动才开始表征第一种气味信息。

研究者将学习过程分为新手、训练和专家三个阶段，发现在小鼠已具有良好任务表现的专家阶段，在延迟后期响应的神经元是最不稳定的。此外,在动物逐渐学习任务的过程中，它们气味期和选择期的表征逐渐趋于稳定，而延迟后期的表征却似乎每天都在变化。

延迟后期工作记忆的出现和稳定

上述结果表明，动物L2/3M2神经元在延迟后期的表征在专家阶段发生明显漂移。为了探究这种漂移现象是否和M2神经元所处深度有关，研究者记录了不同深度的73，307个M2神经元的活动。结果显示，在气味期解码第一个气味种类的准确度先随成像深度的增加而增加，后下降到中间水平；在延迟后期，解码准确度随着深度增加而单调增加；在选择期，准确度在所有深度上都保持较高水平。因此，深层的皮层神经元在延迟后期中表征第一个气味的信息增加。

在这次跨层的体积成像中，和之前的L2/3 M2成像时的解码效果类似，研究者选用了专家阶段连续10天都记录到的神经元进行解码时，发现无论是同天内，还是用第10天的数据解码之前天的气味信息和行为选择，都能达到较好的效果，且准确度随着训练和测试天数之间间隔的天数增加而下降，说明表征在最后趋于稳定；与之前单平面L2/3 M2成像不同的是，延迟后期神经元解码气味的表现在6-10天时显著高于1-5天。这些结果表明，气味期和选择期神经元的表征逐渐稳定，通过不断训练后，延迟后期对工作记忆的表征也逐渐稳定。

总结

本研究通过在整个学习过程对M2神经元长时记录，揭示了延迟后期的工作记忆表征在任务表现中的关键作用。研究发现，延迟后期的神经元活动在专家阶段的早期波动，但随着持续的练习后趋于稳定。这暗示着延迟后期的活动可能依赖于与投射到M2的区域的相互作用，也就是说，延迟后期可能在更高维度发挥着整合感觉信息和以往的经验并发挥决策的功能。

本研究拓展了有关前运动皮层在运动准备和工作记忆任务中的研究，揭示了神经元群体表征的动态变化过程，有助于之后对持续学习过程中的可塑性和动态学习模式的稳定机制的探索。

参考文献：

1.Liu D, Gu X, Zhu J, et al. Medial prefrontal activity during delay period contributes to learning of a working memory task. Science. 2014;346(6208):458-463.

2.Bellafard A, Namvar G, Kao JC, Vaziri A, Golshani P. Volatile working memory representations crystallize with practice. Nature. Published online May 15, 2024.

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