Nature | 工作记忆和注意的共享控制机制
认知控制（cognitive control）可以通过控制信息再大脑中呈现的内容、时间和方式来指导我们的行为。比如，注意（attention）可以控制感觉信息的加工；来自额顶叶皮层自上而下的信号可以强化任务相关刺激的表征。此外，工作记忆（working memory）也是一种类似的“选择”（selection）机制，控制着我们头脑中的信息表征。本研究揭示了工作记忆和注意对感觉刺激具有共同的神经机制。具体而言，研究者训练了恒河猴在这两种任务之间切换，神经记录结果显示，前额叶皮层既可以表征selection的信息，也可以相似地表征attention的信息，这表明前额叶皮层起到了一种领域一般性控制的作用。相反，attention和selection的信息在顶叶和视觉皮层是相对独立地被表征的，但这两者都可以通过增强被选择（或被注意）项目的表征来提高行为表现。此外，在selection任务中，记忆项目最初是在前额叶独立的神经活动子空间中被表征的，而selection这一过程会导致其从原本的子空间转换到新的子空间，从而指导行为。同样地，这种转换也发生在attention中。总结而言，前额叶皮层通过动态转换表征来控制认知计算的内容和时间。
为了研究工作记忆和注意的控制机制，研究者训练了两只猕猴在这两种任务中进行转换。第一个任务是关于工作记忆和"选择"(selection)的retrospective task (retro task，如图)，在这个任务中，猴子需要从工作记忆中存储着两个项目中选择一项。每个retro试次中，猴子需要记住两个方块的颜色（颜色是从色轮中随机分配的），在一个延迟（delay）之后，猴子被给予一个线索（cue）来代表需要报告上面方块(upper)的颜色还是下面方块(lower)的颜色（两者目前都是保持在工作记忆中的）。在Cue之后继续是一个delay，然后猴子通过注视色轮上与之匹配的颜色来报告被cue到的方块的颜色（色轮的颜色也是随机变化的）。因此，为了完成这个任务，猴子需要在工作记忆中保持两种颜色，然后选择被cue到的一种颜色进行报告。
图1a retro task
第二个任务是关于注意(attention)的prospective task (pro task，如图)，在pro试次中，cue在刺激之前出现，这以便于猴子将注意分配到这种即将出现的刺激上去。
图1a pro task
行为结果发现，猴子在retro任务中表现良好，其平均角度误差是51.8°，并且如预期一样，当呈现的item只有一个时(即single条件)，这种误差就缩小了（图1b/c）。呈现两个item之后误差的增加被认为是源于两个item之间的互相干扰。
此外，猴子在pro任务中的表现好于在retro任务中的表现（图1b/c），这与以往理论一致，即表明注意能够减少刺激间的相互干扰，调节进入工作记忆的内容。这些结果表明，selection和attention存在功能的同源性，这两种形式的控制都减轻了表征间的相互干扰。
图1b 最佳拟合的混合模型下的行为结果（角度误差）分布；图1c 在retro, pro, single三种条件下的bootstrap平均绝对误差分布（n = 8620, 8169, 4207, respectively）
为了理解selection的神经机制及其与attention的关系，研究者同时记录了关于工作记忆和注意有关的四个脑区（图2a）：外侧前额叶（LPFC, 682 neurons）、额叶眼动区（FEF, 187 neurons）、顶叶区(BA 7a/b; 331 neurons）、视觉V4区（341 neurons）。
图2a 记录的四个区域
与人类研究一样，这四个区域的神经元都携带这关于工作记忆的信息（upper/lower的位置信息），为了量化这些信息，研究者首先训练了一个逻辑回归（logistic regression）分类器，利用每个区域神经元集群的放电频率（firing rate）来解码selection的位置信息（upper or lower, 如下图）。
图2b 解码selection位置信息的分类器示意图
分析结果发现，所有四个区域都存在与selection相关的信息，首先是出现在LPFC，然后出现在后部的区域（图2c）。统计上，LPFC上信息出现的时间显著早于顶叶和V4，但是与FEF间没有显著差异。总的来说，关于selection的信息是从前额叶传向顶枕区域的。
图2c 四个区域中，selection和generalization分类器正确率随时间的变化（蓝色是selection分类器；紫色是泛化的分类器，下面有解释）；每张图上方的水平bar代表显著高于随机水平的点。由此可以发现，从刺激出现开始（0s），LPFC最早表征选择的信息（0.2s开始）而其他脑区都大约从0.3s开始。
受到selection和attention可能是功能同源的启发，作者测试了它们是否被编码在共享的神经表征中。因此，它们测试了解码selection位置信息的分类器是否可以泛化到解码attention的位置信息（或反之亦然；如下图）。
图2b 泛化的分类器示意图，即利用retro的数据来解码pro（或反之）
正如上方图2c的结果，泛化的分类器在LPFC上同样达到了显著高于机会水平的分类正确率，表明selection和attention在LPFC上存在共享的表征机制。相比之下，泛化模型在FEF的正确率较弱，且有延迟的趋势；顶叶、V4区域没有表现出显著的泛化能力；补充的分析也表明，selection和attention在FEF、V4、顶叶神经元之间没有显著相关性。
这些结果表明，LPFC起到了一个“领域一般性"的控制作用（domain-general” controller），可以同时编码工作记忆的selection和对感觉信息的attention；相比之下，FEF和顶叶区域或许可以“领域特异性”（domain-specific）地控制记忆或感觉刺激。这种一般性和特异性表征机制的结合也许可以平衡对于特殊和一般性行为的控制。
接下来，研究者探讨了selection和attention如何影响工作记忆中项目的神经表征。结果显示，所有四个区域中的单个神经元都表征了upper或lower方块的颜色信息，且这些信息自刺激呈现时出现，并在整个试次中保持（图3）。这些记忆表征和行为结果是有关的，且LPFC和V4携带了更多关于所报告的颜色的信息（而非呈现的颜色的信息）。
与人类研究的结果一致，selection增强了前额叶和顶叶的信息增强。在LPFC中，在记忆中被选择的颜色信息比没有选择的颜色信息更强；此外，在FEF和顶叶中也出现了相似的结果（图3）。
图3 Selection增强了工作记忆中的颜色信息。因变量“信息”是由每个神经元对颜色反应的熵（entropy）所定义的。每张图上方的水平bar代表显著性水平（深蓝：非选择目标；浅蓝：选择目标；黑色：两者差异）。结果表明颜色信息首先出现在V4，然后是LPFC、FEF、顶叶。相比之下，selection首先增加了LPFC的信息表征。
记忆的选择性增强与这四个区域的都有关，当记忆报告不准确时，LPFC、FEF和顶叶区不存在选择效应。尽管整体上selection不影响V4的记忆表征（如上图，V4没有出现黑色bar），但是在记忆表现好的试次中，V4中selected项目的信息会增加，而在记忆表现差的试次中，其non-selected项目的信息会增加。这表明，当猴子没有进行正确的selection时会导致记忆的错误。
与selection的结果相似，attention同样增强了被关注的刺激的信息（如下图），表明额顶叶拥有相似地增强记忆和感觉表征的机制。但是，与attention不同，selection并不减少额顶叶关于non-selected记忆的信息，这表明selection不参与关于无关刺激的抑制这一竞争机制中。
补充图：Attention增强了工作记忆中的颜色信息。
之后，研究者探索了变化的任务需要（即selection和attention）如何影响记忆表征。在试次的早期，即selection之前，颜色信息是与位置信息相绑定的，而selection之后，只有被选择的颜色信息被需要来引导视觉搜索和行为反应。
在selection之前，记忆中每个项目的颜色是被LPFC中独立子区域的神经集群表征的，图4a显示了selection之前位于upper和lower项目的颜色的表征。颜色信息显示出了一种清晰的组织，要报告的四种颜色类别很好地被根据颜色的顺序区分开了，也就是说，颜色空间中的相邻颜色具有相邻的表征，每个项目的颜色表示都被限制在一个“颜色平面”，与二维颜色空间一致。在LPFC中，上面和下面的颜色平面是相互独立的，这表明上面和下面的项目的颜色信息被分成了两个不同的项目特定的子空间。
图4a Selection前（左）和selection后（右），位于LPFC的神经元集群对selected item的颜色的反应。利用降维，反应被投射到从所有八种颜色-位置组合提取出的前三个主成分所定义的空间中（PC1~PC3）。左图（selection前）是接近正交的，右图（selection后）是接近平行的。
与上面的分析一致，upper和lower颜色平面的中位数夹角是79.1°（图4b, selection前夹角余弦较小的部分），表明在selection之前它们几乎是正交的（接近90°）。不过，这并不是因为这两个项目是由不同的神经元群编码的。相反，LPFC中的表征是重叠的，有相当比例的神经元同时对这两个项目进行编码。两个颜色平面并不完全正交，这是因为对upper和lower信息的表征是轻微负相关的（图4c, selection前负相关的部分）。当这两个物体颜色相似时，这种轻微的负相关可能会促进两个项目的区分。
图4b 随时间推移，两个颜色平面的夹角余弦变化情况（越大代表对齐地越好）；图4c 随时间推移，LPFC中upper和lower颜色平面表征间的相关系数的变化。这里结果反映出，selection之前两平面相互独立，而selection之后两平面逐渐趋于平行。
此外，在selection前两个颜色子空间的分离还有其他证据，比如，当一个项目的颜色表征被投射到另一个子空间时，它们之间的分离较少（图4d）。为了量化颜色的分离程度，这里测量了由四种颜色表征所定义的四边形面积。当颜色表征投射到自己的子空间而不是其他子空间的时候，这个颜色区域面积更大（反映了在其子空间中更大的分离）。
图4d 在选择前（左图）和选择后（右图），将LPFC的颜色表征投射到“lower”子空间的结果。结果发现lower的颜色空间面积更大。
在selection之后，LPFC中的记忆表征会被转换到另一个子空间中（理论见Myers, Stokes, & Nobre, 2017, TiCS）。Selection之前分离的颜色子空间在第二次delay之后的瓦解反映这一点（图4e，左），即随着时间推移，颜色区域面积逐渐缩小。相反，在selection之后，颜色会在一个新的子空间得到表征（图4e，右）。
图4e Selection前和后，随着时间推移（z轴），LPFC中upper颜色表征投射到upper子空间的情况。
所以，尽管selection之前upper和lower的子空间是相互独立的，但selection之后，两个子空间是对齐或接近平行的（见图4a），同样，selection之后两个平面的夹角余弦变大（见图4b）、两平面表征的相关系数由负变正（见图4c）、当一个项目的颜色表征被投射到另一个颜色子空间时可以被很好地区分开（图4d右图）。
总之，这些结果表明，selection将记忆从独立的特定项目子空间转换到一种共同的子空间，这种共同的子空间可以表征selected item的颜色（而与原来的位置信息无关，即对位置信息进行了抽象化）。LPFC中颜色空间对齐的强度和行为结果存在相关性，这也反映了这种转换的重要性。
相比之下，这种转换的程度在FEF、顶叶、V4是依次下降的，表明神经反应灵活性在不同区域间有梯度的下降，即前额叶是最为动态、整合性的，而视觉皮层是最为静态、区域性的。
此外，selection也一定程度上改变了LPFC中的没有被选择的记忆（non-selected memory），non-selected记忆的颜色平面一开始趋于平行，而selection之后两者没有显著关联。值得注意的是，在selection前后，non-selected的项目和selected的项目都始终保持接近正交，这避免了目标和干扰之间的混淆。
如上所述，这种神经表征的动态重对齐（dynamic re-alignment）反映了不同试次之间任务需要的变化：selection之前独立编码项目；selection之后将项目对齐，对原本的位置信息抽象化。与这种任务需要驱动的记忆转换相一致的是，在pro试次中，记忆表征在刺激呈现后立即对齐。在LPFC中，upper和lower的颜色表征与刺激消失后的前一个试次正相关；并且在整个试次中，upper和lower颜色平面都具有很好的对齐（图4f）。
图4f 直方图显示了在retro和pro任务中，前期（early; 150-350 ms post-stimulus offset）和后期（late; 200–0 ms before target onset）upper和lower平面的夹角余弦的分布（越大代表越对齐）。绿色线条代表中位数。
图4g Selection改变颜色表征的示意图，即从原本相互独立的子空间转换到一个共享的"模板"子空间。
此外，在retro和pro试次中似乎使用了相同的子空间对齐，因为pro和retro试次的delay末尾的颜色表征之间存在一个显著的相关性，这种相关性在selection前没有出现，并且会随着时间而增强。
作者认为，这种任务依赖的动态转换也许是认知控制的基础。在retro任务中，selection将原本互相独立的颜色信息转换为一种共享的“模板”(template)子空间中（图4g）。从神经环路的角度看，动物从模板子空间中解码信息从而来指导视觉搜索，这种转换会把原本的位置信息抽象化，从而允许被选择的项目来指导行为反应。由于项目特异的、未被选择的子空间正交于模板子空间，所以这一环路不会受到这些表征的影响。通过这种方式，变换的时间决定了该环路何时被调用（比如，在retro任务中是在selection之后调用，而在pro任务中是立即调用）。
因此，作者认为认知控制可以动态地转换表征，以控制认知计算参与的时间和内容，且这种控制在工作记忆和注意中都存在。
文章信息：
Panichello, M. F., & Buschman, T. J. (2021). Shared mechanisms underlie the control of working memory and attention. Nature. doi:10.1038/s41586-021-03390-w