【学术快报】罗欢课题组揭示听觉序列工作记忆中“内容与结构”的分离存储神经机制

近日，北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在 The Journal of Neuroscience 期刊上发表文章Distinct neural representations of content and ordinal structure in auditory sequence memory，揭示了听觉序列工作记忆中“内容与结构”的分离存储神经机制，指出这样的内容—结构分离有利于人类面对新内容输入的记忆迁移和存储，正所谓以“不变（结构）应万变（内容）”。

“北国风光，千里冰封，万里雪飘…….江山如此多娇，引无数英雄竞折腰……俱往矣，数风流人物，还看今朝！”

“独立寒秋，湘江北去，橘子洲头……携来百侣曾游，忆往昔峥嵘岁月稠……曾记否，到中流击水，浪遏飞舟！

很明显，这两首同属词牌《沁园春》。词牌本是用于吟唱，虽然当时的曲调已经失传，我们仍然可以从断句中感受节奏，也可以为词全新谱曲。词牌给定了结构，同一结构又可填入不同文字内容。结构和内容的灵活组合帮助我们产生了无穷无尽的文字和声音的丰富体验。

本研究旨在探索人脑是如何把听觉序列（比如一段旋律）中的结构信息（序列位置，比如1、2、3）和内容信息（音调本身，比如do、re、mi）保存在工作记忆中。听觉序列的成功记忆既依赖于结构也依赖于内容：结构信息的丢失使得旋律的前后顺序混淆，内容信息的丢失则会导致“走调”。

实验中，人类受试需要记住三个次序播放的声音频率，同时脑活动被具有高时间分辨率的脑电图记录。由于记忆保持阶段的脑活动处于“静默态”而无法直接读取，课题组采用了一种“扰动-读取”的办法，即对该记忆网络进行短暂扰动来激活其所存储的信息，进而采用神经编解码技术进行解析。该“扰动-读取”技术类似于在一个黑暗的山洞中通过大声呼喊（扰动）所产生的回声（读取）来探测看不见的洞的信息（静默态记忆）。

研究发现听觉序列记忆中的结构和内容信息呈现出分离的特性（如下图所示）：在编码阶段，序列中的每个声音所引起的神经活动都携带两个并行标签：其所处的位置（结构信息）和其声音频率（内容信息）。最为重要的是，在“静默态”记忆保持阶段，白噪声扰动激发了所存储的内容信息而没有结构信息，而另一种retrocue扰动则激发了结构信息而没有内容信息，暗示了结构和内容的分离存储机制。此外，结构的神经表征在整个记忆过程中相对稳定不变，而内容的神经表征则呈现出动态变化的特性。最后，从“静默态”保持阶段所扰动激发的内容神经表征和之后的听觉记忆行为有紧密关系，提示了一种对听觉工作记忆进行检测的有效神经指标。

综上所述，该研究揭示了听觉序列工作记忆中“内容与结构”的分离存储神经机制，这样的内容-结构分离有利于人类面对新内容输入的记忆迁移和存储，正所谓以“不变（结构）应万变（内容）“。

输

北京大学心理与认知科学学院博士生范莹为论文的第一作者，已毕业博士生韩起明、元培学院四年级本科生郭思萌为本文做出重要贡献。罗欢研究员为本文的通讯作者。该工作由罗欢研究员承担的国家自然科学基金重点项目资助完成。

原文链接：

https://www.jneurosci.org/content/early/2021/06/01/JNEUROSCI.0320-21.2021

Fan, Y. Han, Q., Guo, S., Luo, H.* (2021) Distinct neural representations of content and ordinal structure in auditory sequence memory. Journal of Neuroscience. JN-RM-0320-21;

DOI:https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0320-21.2021

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罗欢

北京大学心理与认知科学学院研究员

北京大学麦戈文脑科学研究所PI

实验室研究领域：

罗欢实验室（“动态世界观”）从事基础认知神经科学方向的研究，特别集中在研究各种认知过程中的动态结构、时间组织及其脑神经机制。主要研究手段包括高时间采样认知行为范式、脑磁图(MEG)、脑电图(EEG)。现阶段所包含的课题涉及感知觉、注意、记忆、听觉节奏等等。

实验室的一个研究特色是从时间这个基本维度来了解大脑处理的基本方式（而不仅仅是发生的脑区）。近期的一系列研究发现大脑有其自身的时间处理框架，外部的信息通过大脑内部的时间组织被整合进来，来影响甚至决定我们的认知行为。我们感兴趣通过设计心理学实验结合具有高时间分辨率的脑成像手段（比如脑电图、脑磁图等）来不断“敲打”大脑，理解大脑自身的工作方式，以及内部世界和外部世界的相互动态关系。

北京大学IDG麦戈文脑科学研究所

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