灵长类初级视皮层中视觉工作记忆内容的神经元表征研究报告
本研究由Jiancao Huang（黄建操）、Tian Wang（王天）等共同完成，第一及通信作者单位为北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室及IDG/McGovern脑科学研究院。研究成果以“Neuronal representation of visual working memory content in the primate primary visual cortex”为题，于2024年6月14日发表在期刊 Science Advances 上。
一、 学术背景
本研究的科学领域属于认知神经科学与系统神经生物学，特别是视觉工作记忆（Visual Working Memory， VWM）和大脑皮层信息处理的交叉领域。人类能够生动地回忆视觉图像，仿佛它们“浮现在眼前”，即使在没有实际视觉刺激的情况下。这种“心灵之眼”的能力其背后的神经基础是什么，一直是神经科学的核心问题之一。视觉工作记忆是大脑主动保持和操纵视觉信息的系统。尽管已知VWM涉及广泛分布的脑网络，但视觉皮层，尤其是初级视觉皮层（Primary Visual Cortex， V1）在其中扮演的确切角色存在长期争议。部分功能磁共振成像（fMRI）研究提示V1存在与VWM内容相关的神经编码，但也有研究提出了不同观点。关键在于，此前在V1中直接检测神经元电生理活动的证据非常稀缺，特别是关于工作记忆核心——记忆内容（而不仅仅是空间位置）的编码。因此，本研究旨在直接探究一个核心问题：V1神经元是否真正表征VWM的内容？如果表征，它们是以何种活动模式来实现的？研究的目标是通过在非人灵长类动物上进行高密度电生理记录，系统性地揭示V1在视觉工作记忆内容维持和操作期间的神经元活动模式、编码策略及其动态变化特性。
二、 研究流程
本研究包含一系列精心设计的实验流程，主要研究对象是两只成年雄性猕猴（食蟹猴DP和恒河猴DQ）。研究核心是在猕猴执行不同VWM任务时，使用植入V1的Utah阵列（10×10微电极阵列，电极间距400微米）长期、同步记录多个位点的神经元活动（包括多单元活动MUA和经后续排序获得的单单元活动SUA）。
行为训练与任务设计：研究首先训练猕猴掌握三种基于延迟样本匹配（Delayed Match-to-Sample， DMS）范式的VWM任务，记忆内容分别为光栅朝向、颜色和面孔图片。在“朝向DMS任务”中，屏幕中央呈现一个特定朝向的静止光栅（线索刺激）200毫秒，随后是1600毫秒的空白延迟期，最后呈现另一个光栅（探测刺激）200毫秒。猕猴需要通过按压或释放操纵杆来判断探测刺激的朝向是否与线索刺激相同。颜色和面孔DMS任务逻辑类似，只是记忆内容不同。作为关键对照，研究还设置了“注视任务”，在该任务中猕猴只需维持中央注视即可获得奖励，无需进行记忆匹配反应，以此控制记忆需求本身的影响。此外，为了探究更复杂的记忆过程，研究后续引入了“关联任务”：在此任务中，线索刺激为一种朝向的光栅，而探测刺激为一种颜色，猕猴需要根据习得的关联规则（例如，特定朝向对应特定颜色）进行判断，这考察了VWM如何整合外部线索与内部长期记忆。
电生理记录与数据处理：在猕猴熟练掌握基础任务后，通过手术将Utah阵列慢性植入其V1区域，电极覆盖区域的感受野中心通过稀疏噪声刺激进行定位。在所有正式实验任务中，视觉刺激均被呈现在记录神经元群体的感受野中心或特定相对位置。神经信号经过放大、数字化和在线阈值检测，获得多单元活动数据。对于部分分析，研究还使用了Kilosort软件对信号进行离线 spike sorting，以获取信噪比高的单单元活动数据。为确保数据质量和统计效力，研究设定了严格的数据纳入标准：每个记忆内容条件需收集至少500个正确试次，这远超过通常观察视觉诱发反应所需的数据量，以应对VWM相关活动可能较弱的挑战。数据预处理包括剔除异常试次和低信噪比电极通道。
分析流程与创新方法：研究采用了多层次的分析方法来刻画V1的VWM表征。
三、 主要结果
V1神经元表征VWM内容，且具有记忆特异性：研究首先在朝向DMS任务中发现，在延迟期内，V1神经元对不同记忆内容（如90°与180°朝向）的发放率存在显著差异。这种差异在正确记忆试次中持续存在，但在错误试次和无需主动记忆的注视任务中显著减弱或消失。计算得到的CMI值在正确记忆试次的延迟期中显著高于错误试次、注视任务以及自发性活动基线。这一现象在颜色和面孔DMS任务中得到重复验证。结果表明，V1确实存在一种记忆特异性的神经机制，能够在延迟期对不同的VWM内容进行区分性编码。
VWM表征独立于感觉编码模式：跨时间解码分析揭示了关键发现。虽然解码器在刺激期和延迟期内都能成功解码记忆内容（“对角线”解码精度高于随机水平），但使用刺激期活动训练的解码器无法成功解码延迟期的内容（“交叉”解码精度不高于随机水平）。反之亦然。这表明，V1神经元用于编码外部视觉刺激的群体活动模式，与编码内部维持的VWM内容的模式是不同的。进一步支持这一结论的证据来自：（a）延迟期的神经元发放率显著低于刺激期，接近自发活动水平，未见持续的升高；（b）许多神经元在延迟期对记忆内容的响应偏好排序（即哪个内容引发最强响应）与其在刺激期的偏好排序不同，两者无显著相关性；（c）神经元对之间的功能连接在刺激期和延迟期发生了显著变化：约80%在刺激期显著的功能连接在延迟期消失，同时有20-30%新的功能连接在延迟期出现。这些结果强有力地表明，V1对VWM内容的表征并非简单地“重新激活”处理外部视觉输入时的神经元群体，而是采用了一种不同的、动态变化的编码策略。
VWM表征受关联学习与长时记忆内容影响：在“关联任务”中，随着猕猴学习将特定朝向与特定颜色关联起来，其行为表现逐渐提升。研究发现，在训练的早期阶段，V1神经元在延迟期的活动模式更偏向于线索刺激的朝向信息。然而，在训练的晚期阶段，当关联规则被牢固掌握后，延迟期神经元活动的偏好排序发生了显著变化，甚至出现了反转，变得更接近于在纯颜色记忆任务（颜色-颜色任务， CCT）中观察到的、对关联的颜色内容的表征模式。而刺激期的活动模式在整个学习过程中保持稳定。跨任务解码和主成分分析可视化进一步确认了这一转变：晚期训练阶段延迟期的群体活动模式，在解码上更接近CCT中的颜色记忆表征，而与早期阶段或纯朝向记忆任务（朝向-朝向任务， OOT）的表征差异增大。这说明V1的VWM表征具有可塑性，能够反映被回忆的长时记忆内容，而不仅仅是当前呈现的外部感觉信息。
VWM表征的空间范围超越经典感受野限制：空间实验结果表明，当视觉刺激尺寸较小且远离记录神经元的感受野中心时，刺激呈现期的神经元响应和内容区分度（CMI）迅速下降至基线水平，符合V1的经典视网膜拓扑映射特性。然而，令人惊讶的是，在延迟期，即使刺激远离感受野，神经元对不同记忆内容的区分能力（CMI）仍然得以维持，尽管其绝对发放率较低。这表明，VWM内容的内部表征在V1中的空间分布比处理外部输入时更为广泛。进一步的“跳过任务”与“停留任务”对比发现，当猴子需要将注意从线索位置转移到预期的探测位置时（“跳过任务”），延迟期V1神经元对记忆内容的表征强度（CMI）显著高于线索和探测都在同一远离位置的任务（“停留任务”）。这说明内源性注意可以调控VWM表征在V1中的空间分布，使其向行为相关的预期位置“扩展”或“转移”。
四、 结论与意义
本研究得出核心结论：灵长类动物的初级视觉皮层（V1）确实主动参与并表征视觉工作记忆的内容。这种表征具有几个关键特征：特异性（与记忆任务相关）、独立性（其神经编码模式不同于处理外部视觉输入的模式）、可塑性（受学习关联和长时记忆内容影响）以及空间灵活性（表征范围可超越经典感受野，并受注意调控）。
其科学价值重大：首先，它直接提供了V1神经元在单细胞和群体水平编码VWM内容的电生理证据，解决了该领域长期存在的争议。其次，它挑战了简单的“感觉招募”假说（即认为VWM只是感觉表征的持久激活），提出了V1可能采用一种相对独立的、动态的编码策略来支持内部记忆，这可能有助于防止记忆被误认为真实知觉（幻觉），同时保持记忆表征对抗外部感觉干扰的鲁棒性。第三，它将V1的功能从经典的感觉信息处理器，扩展到了内部认知过程（如工作记忆、联想回忆）的积极参与者，深化了我们对大脑各区域在高级认知功能中分工与合作的理解。研究结果也与近期关于记忆的“旋转动力学”等理论假设更相符。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容与展望
研究在讨论中也指出了其局限性，例如实验中所用的记忆内容类型仍有限，电极覆盖的视网膜区域相对较小限制了精确估计记忆表征空间范围的能力等。这些为未来研究指明了方向。此外，研究提出了一系列有待探索的深刻问题：V1中对VWM内容的编码偏好是永久性的还是临时性的？其信号源头是哪个更高级的脑区？如何利用神经动力学的时空模式更精确地重建特定的记忆内容？对这些问题的探索将极大增进我们对视觉记忆本质及其巨大潜力的理解。最后，研究强调，尽管V1中记忆内容调制的幅度相对感觉诱发反应较小，但其编码对于工作记忆的功能实现可能至关重要。未来的研究需要通过操控V1在记忆维持期的神经元活动，来直接检验其与记忆功能之间的因果关系。