過去的經(jīng)歷塑造了我們，也潛移默化地影響著我們當(dāng)下的幾乎所有認(rèn)知行為。過去與現(xiàn)在緊密交互且自動發(fā)生，這一規(guī)律構(gòu)成大腦工作的主要基調(diào)。2023年3月25日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所羅歡課題組，在《PloS Biology》在線發(fā)表論文(Zhang & Luo, in press)，從知覺決策的序列偏差現(xiàn)象入手，揭示了當(dāng)前認(rèn)知被過去自動重塑的神經(jīng)機制：過去試次中所包含的特征信息被當(dāng)前試次的對應(yīng)特征信息從“靜默態(tài)”記憶系統(tǒng)中重新激發(fā)，過去和現(xiàn)在的相遇重構(gòu)了當(dāng)前的特征加工，影響了當(dāng)前的行為，引發(fā)行為上的序列偏差效應(yīng)。
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神經(jīng)科學(xué)家Dean Buonomano教授曾提出一個有趣的比喻——大腦是一臺時光機。我們感知并活在當(dāng)下，也可追溯過去、預(yù)演未來，超越時空限制。更進一步，純粹的當(dāng)下其實并不存在，每一時刻的認(rèn)知都無法局限于“此時此地”的感知，而是會自發(fā)受到過去經(jīng)驗的塑造和影響?！叭ツ杲袢沾碎T中，人面桃花相映紅”——一年前的事件在記憶中被激活，進而影響了對當(dāng)下情境的認(rèn)知——“人面不知何處去，桃花依舊笑春風(fēng)”。
記憶的重演和再鞏固在長時記憶領(lǐng)域有廣泛研究（比如去年今日），然而，在我們?nèi)粘Ｉ钪械妮^短時間尺度上是否存在呢？近十年來，大量心理學(xué)行為實驗發(fā)現(xiàn)了廣泛存在于很多認(rèn)知任務(wù)中的序列依賴效應(yīng)（serial dependence/sequential effects）。該效應(yīng)指的是，當(dāng)前實驗試次的感知決策會自動受到前幾個試次的影響并產(chǎn)生系統(tǒng)偏差。這一現(xiàn)象從某種程度挑戰(zhàn)了大部分心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)實驗的假設(shè)，即試次之間是獨立的。該現(xiàn)象表明，大腦認(rèn)知自動受過去影響，甚至可以無意識發(fā)生。
然而，序列依賴效應(yīng)是一個非常復(fù)雜的現(xiàn)象，其中刺激、決策和反應(yīng)經(jīng)?；祀s在一起，給其機制的揭示帶來了極大挑戰(zhàn)。過去的什么信息被保留并傳遞到后續(xù)試次中？這些信息如何被存儲進而影響后續(xù)的認(rèn)知加工過程？在本研究中，研究團隊通過分離同一事件中涉及的不同成分（物理刺激、主觀判斷、動作輸出），結(jié)合高時間分辨率的腦電信號記錄，系統(tǒng)揭示了序列依賴效應(yīng)背后的“自動重激活”的動態(tài)神經(jīng)機制。該論文被序列依賴效應(yīng)研究的先驅(qū)者David Burr教授評價為“一篇巧妙又有趣，值得高影響力刊物發(fā)表的論文”（This is a clever and interesting paper worthy of high-impact publication）。
本研究設(shè)計了一個聽覺音高分類任務(wù)。受試者需要在每個試次中，對播放的純音進行音高分類，進行按鍵報告。通過精細的實驗設(shè)計，研究團隊可以在同一試次中分離出三種特征（音調(diào)、類別、動作按鍵）的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這三種特征都存在序列依賴效應(yīng)，且具有不同的特性和影響方向：音調(diào)特征表現(xiàn)為排斥效應(yīng)，類別特征表現(xiàn)為吸引效應(yīng)，運動按鍵表現(xiàn)為排斥效應(yīng)（圖1）。
圖1 多特征的序列偏差行為。音高引起排斥效應(yīng)（左），類別引起吸引效應(yīng)偏差（中），運動按鍵引起排斥效應(yīng)（右）。
對同時記錄的腦電活動信號的分析進一步揭示了序列依賴效應(yīng)的動態(tài)神經(jīng)機制。首先，當(dāng)前試次的腦電活動中能解碼當(dāng)前試次的信息（預(yù)料之中）。但最為有趣的是，當(dāng)前的事件發(fā)生會自動激發(fā)過去試次的相應(yīng)特征信息：音調(diào)信息激發(fā)過去試次的音調(diào)，類別信息激發(fā)過去試次的類別，運動響應(yīng)激活過去試次的運動反映（圖2）。值得注意的是，過去試次包含的信息因為已經(jīng)發(fā)生，理論上是可以一直處于激活狀態(tài)的，然而研究結(jié)果表明，它們會潛入記憶的“靜默態(tài)”，直到被當(dāng)前試次的相應(yīng)事件所重新激活。
圖2 當(dāng)前試次信息的神經(jīng)表征（左）和過去試次信息的重激活（右）
進一步，過去信息的重激活也并不確定表明過去對當(dāng)前的重塑，更無法揭示該影響的偏差方向（排斥或吸引）。研究團隊進而開發(fā)新方法刻畫過去對當(dāng)前信息神經(jīng)表征的方向性影響。結(jié)果表明，當(dāng)前信息的神經(jīng)表征確實會被過去影響，產(chǎn)生吸引或者排斥的偏移，且該神經(jīng)偏移的方向與行為上不同特征的序列偏差的方向一致，并可以預(yù)測行為上的序列偏差效應(yīng)（圖3）。在實驗一基礎(chǔ)上，研究團隊設(shè)計了實驗二考察了其他因素，進一步驗證了序列依賴效應(yīng)的特征特異性的記憶重激活機制。
圖3 過去信息引起當(dāng)前信息神經(jīng)表征的偏移。（a）分析示意圖。（b）當(dāng)前各特征信息表征受過去信息影響產(chǎn)生偏移的動態(tài)過程。
綜上，課題組通過精細的實驗設(shè)計，將刺激-決策-反應(yīng)這三個高相關(guān)的變量分離，首次系統(tǒng)揭示了序列依賴效應(yīng)背后的“記憶重激活”動態(tài)神經(jīng)機制：過去的信息被當(dāng)前的對應(yīng)信息從“靜默態(tài)”記憶系統(tǒng)中自動激發(fā)，過去和現(xiàn)在的相遇重構(gòu)了當(dāng)前的信息加工，影響了當(dāng)下的行為。時間依賴性是腦工作的基本規(guī)律，該全新發(fā)現(xiàn)揭示了過去對當(dāng)前重塑的動態(tài)腦機制，提示了短時間尺度的工作記憶和長時間尺度的長時記憶的可能聯(lián)系，為大腦作為“時光機”的操作機制和神經(jīng)原理提供了重要啟發(fā)。
該論文標(biāo)題為“Feature-specific reactivations of past information shift current neural encoding thereby mediating serial bias behaviors”。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院張惠惠博士為本文第一作者。張惠惠博士與羅歡研究員為本文共同通訊作者。本研究獲得國家科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、中國博士后科學(xué)基金項目資助。
文章鏈接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002056
2023-03-30