科学研究｜突破短时记忆容量限制
华东师范大学心理与认知科学学院、上海纽约大学脑与认知科学研究所库逸轩教授课题组的研究，“Electrical stimulation over human posterior parietal cortex selectively enhances the capacity of visual short-term memory”，于2018年11月20日在美国神经科学学会的会刊《Journal of Neuroscience》杂志上在线发表。库逸轩教授课题组博士生王思思、范德堡大学博士后Sirawaj Itthipuripat为共同第一作者，库逸轩教授为通讯作者。
视觉短时记忆（visual short-term memory，VSTM）是大脑在短时间内维持视觉输入信息（方向、形状、位置、颜色等）的能力，为执行复杂的行为任务（语言、思维、决策等）提供在线心理空间。它与感觉记忆和长时记忆一起构成我们的记忆系统。感觉记忆通过深度加工可以转变为短时记忆短暂存储在大脑，而短时记忆又可以通过复述转变为长时记忆得以长期存储。
虽然人脑每时每刻都要处理海量的视觉信息, 且长时记忆的容量也极为庞大，但是我们的视觉短时记忆中能够同时存放的物体数量却非常有限（大约为3-4个，Luck & Vogel, 1997, Nature）。除了数量的有限性，短时记忆的精度特征，即我们对物体细节的记忆，也是有限的。大量电生理和神经影像数据表明，后顶叶皮层（posterior parietal cortex，PPC）的神经活动在决定和影响大脑短时记忆存储物体数量上具有重要作用（Vogel et al., 2004, Nature; Todd & Marois, 2004, Nature）。与此同时，后顶叶皮层也参与视觉短时记忆信息的精度表征（Xu & Chun, 2006, Nature）。但是目前仍缺乏后顶叶皮层在这两种特征表征中作用的因果性证据。
经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种无创性的微弱电流刺激（通常1-2mA），通过影响神经突触后电位对大脑皮层的兴奋性产生影响。正性电刺激能够使得神经元去极化而提升皮层兴奋性, 而负性电刺激则会使得神经元超极化而使皮层活动受到抑制（但近期也有一些研究发现兴奋或抑制跟刺激幅度也具有一定相关性）。作为一种研究大脑活动及其对应认知功能因果联系的有效手段，经颅直流电刺激技术已经应用到注意、情绪、决策等大脑功能的各个方面。
本研究采用方向回忆任务，参与实验的被试需要记忆2个，4个或者6个线条的方向，然后在短暂时间间隔（1000ms）后回忆出某个线条的方向（图1a，VSTM）。开始任务前被试会接受15分钟强度为2mA的正性直流电刺激或是虚假电刺激，刺激区域在后顶叶皮层（PPC）或是背外侧前额叶皮层（dorsal lateral prefrontal cortex, DLPFC，图1c）。每位被试需要来参加三次实验，两次接受正性电刺激（上述两个区域），另一次接受虚假电刺激（刺激只持续30秒）。然后通过对被试的反应误差（回忆方向和实际线条方向的差值）进行计算建模（图1b）分析（标准混合模型，Zhang & Luck, 2008, Nature），计算出每种情况下被试的记忆容量（Capacity K）和精度（Precision SD-1）。同时为了排除电刺激可能通过对感知或注意过程影响而调控短时记忆表现，本研究增加了延迟时间更短（100ms）的感觉记忆任务（图1a，SM）作为控制条件。
图1. (a) 记忆线条方向的视觉短时记忆任务（Visual short-term memory, VSTM）及感觉记忆任务（Sensory memory, SM）；(b) 标准混合模型：该模型可以从反应误差中分离出记忆容量（记忆负荷*（1-g））以及记忆精度（1/SD）；(c) 正性电刺激PPC及DLPFC的电流强度模型。
结果发现相对于虚假电刺激，正性电刺激PPC显著提高了被试在记忆负荷为6（超出视觉短时记忆的容量限制）时的视觉短时记忆容量，但是并没有对视觉短时记忆的精度造成显著改变（图2，VSTM），并且几乎所有被试都获得了这一提升作用（图3）。这一刺激效果并没有发生在较低记忆负荷情况，体现出任务难度的特异性；也没有发生在对DLPFC的正性电刺激中，体现了脑区的特异性；也没有发生在感觉记忆（SM）任务中，体现了加工过程的特异性，并排除了感知或注意加工过程的影响。这些研究结果为PPC在视觉短时记忆容量表征而非精度表征中的优势作用提供了因果性证据。
图2. (a) 正性电刺激相对于虚假电刺激后的视觉短时记忆容量变化：左图感觉记忆容量变化，右图视觉短时记忆容量变化；(b) 正性电刺激相对于虚假电刺激后的视觉短时记忆精度变化：左图感觉记忆精度变化，右图视觉短时记忆精度变化。紫色表示电刺激PPC，绿色表示电刺激DLPFC。**表示变化显著。
图3. (a) 接受正性电刺激PPC之后每位被试的视觉短时记忆容量变化量；(b) 接受正性电刺激DLPFC之后每位被试的视觉短时记忆容量变化量。红色表示电刺激之后容量提升，蓝色表示电刺激之后容量降低。
本研究的发现对于理解视觉短时记忆的容量和精度表征所分别对应的神经机制具有重要意义，相关内容可以参考我们之前提出过的工作记忆QQ模型（Quantity vs. Quality, Ku et al., 2015, Neuroscience Bulletin）。通过短时间内的无创性微弱电流刺激即刻提升短时记忆容量的效应也可能推动电刺激调节高级认知功能的应用，希望未来这样的技术可以帮助记忆力或认知功能衰退的人群，如老年痴呆人群等。
本研究获得华东师范大学人体实验伦理委员会（IRB）的批准（HR2016/11046），并得到国家社科基金重大项目（17ZDA323）、上海市 “科技创新行动计划” 基础研究领域重点项目（17JC1404100）和上海市浦江人才计划（16PJC022）的资助。
论文信息：
Wang, S.*, Itthipuripat, S.*, & Ku, Y. (2018). Electrical stimulation over human posterior parietal cortex selectively enhances the capacity of visual short-term memory. Journal of Neuroscience. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1959-18.2018 (* equal contribution)
第一作者
王思思
华东师范大学心理与认知科学学院认知神经科学专业博士生
通讯作者
库逸轩
华东师范大学心理与认知科学学院教授，博士生导师
文｜王思思 库逸轩
图｜王思思 库逸轩 网络
编｜张鹏骞