秦绍正课题组在Nature Human Behavior发表论文揭示[情绪]记忆提取练习引发脑功能动态重组及其对学习效果预测作用
记忆是认知功能与生物智能的核心成分，是个体发展和群体知识传递的基石。长达数个世纪以来，科学家与教育工作者一直致力于探索如何有效促进与提升记忆能力的方法。其中，记忆提取练习(retrieval practice)被证实是最为行之有效的方法之一。记忆提取练习指的是通过主动去提取或回忆所学的记忆信息，使之能够更好地被巩固和储存下来。记忆提取练习能显著提升学习效果，因此作为有效学习的手段之一被广泛应用于各种科学学习训练、教育教学和记忆能力促进与干预等实践当中。然而，我们对提取练习过程中记忆信息的神经表征与大脑功能网络究竟如何工作的机理，知之甚少。
综合利用记忆提取练习、前瞻性记忆巩固范式以及功能性磁共振成像(fMRI)等技术方法，通过获取8次记忆重复提取练习任务下大脑功能活动，结合动态的多体素(分布式)表征特异性、脑功能网络重组和机器学习等分析方法，北师大认知神经科学与学习国家重点实验室、IDG/McGovern脑科学研究院秦绍正课题组揭示了记忆提取练习引起的动态脑功能特异化重组及其对后续学习记忆效果的预测作用。该研究成果于2021年10月07日在《Nature Human Behavior》（《自然-人类行为》）杂志正式发表。
近年来，国际上心理学与认知神经科学的研究发现——记忆提取会诱发记忆痕迹再激活并处于高度可塑的活跃状态。此时的记忆痕迹(memory engram)信息表征可以被“编辑”，包括增强、更新或更改。以往关于记忆提取练习的研究都集中在其对记忆效果的增强方面，而其导致记忆失真的证据则较少被关注。其次，现有的认知行为研究大多表明记忆提取练习对记忆的促进效应不是即时的，而是需要经过记忆巩固之后才会表现出来。然而，关于此现象背后的认知神经机制，却知之甚少。最后，目前关于记忆提取练习效应的神经机制的研究大都基于特定局部脑区，而长时记忆的形成往往是多脑区分布式表征参与的。为此，探索记忆提取练习中局部脑区内信息表征模式以及相关的脑区之间如何协同合作，显得至关重要。
鉴于此，课题组利用功能性磁共振成像(fMRI)方法，采集了57名有效健康青年被试在进行8次重复性记忆提取练习时的大脑功能活动，然后采用前瞻性记忆巩固范式，针对所练习的学习材料在随后立即测验（30分钟之后）和延迟测验（24小时之后）中考察了相应的记忆表现（图1）, 以便测查记忆巩固前后，经过记忆提取练习的学习材料(与未经过提取练习的相比)的长时记忆保持率以及产生虚假记忆的程度。该实验设计还纳入了负性情绪与中性情绪刺激，以此考察记忆保持与虚假记忆效应是否特异于不同情绪效价。最后，采用通过结合动态的多体素表征特异性、脑功能网络动态重组和机器学习等分析方法，系统考察了记忆提取练习中局部海马及其他内侧颞叶脑区与额叶顶叶等记忆相关大脑皮层的的多体素信息表征模式，这些脑区之间随着提取进程如何协同合作的动态网络重组模式，以及这些动态模式是否能够分别预测巩固前后长时记忆信息的保持率以及虚假记忆产生的程度。
结果表明：和以往的研究一致，记忆提取练习确实会促进长时记忆的表现，但这种记忆增强的效果主要发生在24小时后的延迟测验中，提示任务完成后的巩固期可能协同对记忆增强产生作用。同时，研究团队还观察到记忆提取练习比控制条件产生了更多的错误记忆，而且这种错误记忆的产生已经在练习结束后的30分钟就可以测出来（图1）。值得强调的是，负性情绪材料和中性情绪材料在行为层面并未观测出显著差异，表明记忆练习引发的固化后长时记忆保持率提升和虚假记忆产生效应对学习材料情绪效价不敏感。
（图1：实验设计和行为结果）
接着，研究团队深入探查了记忆提取过程中记忆相关脑区多体素分布式信息表征和脑功能网络连接的动态模式。脑功能影像分析发现：随着记忆提取次数增多，后侧顶叶区域（PPC, Posterior Parietal Cortex）的表征特异性（neural distinctiveness）也随之不断提高，并能预测24小时后固化后的长时记忆保持率提升；而内侧颞叶（MTL,Medial Temporal Lobe）特别是海马在练习过程中展现处非稳态的神经表征特异性，并可以预测个体虚假记忆产生的程度（图2）。
（图2：多体素表征特异性分析）
最后，研究还发现：随着记忆提取练习次数的进程，能够增强记忆相关网络连接的全局效能（图3），并且分别通过以腹外侧前额叶（Ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC)-顶叶后部(PPC) 和背外侧前额(Dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) -内侧颞叶(MTL特别是海马)为核心的脑功能网络特征动态变化模式，可以分别预测经巩固后长时记忆保持率提升和虚假记忆的产生效应（图4、5）。有趣的是，对于预测长时记忆保持率的脑功能网络特征在经过5次提取练习达到峰值后进入平原期，而预测虚假记忆产生的脑功能网络特征似乎可以一直持续到8次提取练习。
（图3：记忆提取练习能够有效促进脑功能网络连接模式的全局效率）
（图4：记忆提取练习中脑功能网络特征的动态模式预测固化后长时记忆保持率）
（图5：记忆提取练习中内侧颞叶/海马-前额叶功能网络特征的动态模式预测虚假记忆产生）
该研究的创新之处主要体现在以下两个方面：首先，研究团队将记忆提取练习跟记忆巩固和虚假记忆创造性的融合起来，通过一个整合性的研究,系统考察并证实了记忆提取练习效应的两面性，即既能从总体上增强长时记忆，但也会在一定程度上导致相关记忆失真；其次，从多体素表征特异性和脑功能网络重组的动态角度出发，系统考察了记忆提取练习中局部海马与额顶页记忆相关脑区多体素信息表征模式、这些脑区之间随着提取进程如何协同合作的动态重组模式，及其对长时记忆保持促进与虚假记忆产生效应的预测作用。
鉴于记忆提取练习已被广泛应用于实际生活中的不同场景（例如在以提高学习效果为目的学校课堂上、以及针对记忆损伤病人的记忆恢复训练等场景中），此研究揭示的记忆提取练习“双刃剑”效应，为这些实际应用提了醒，并建议应通过优化操作过程（如及时提供记忆提取结果的反馈信息）最大程度上避免虚假记忆的产生。同时，该研究还揭示了两种不同记忆效果下特异且分离的神经表征和脑网络证据，深入刻画了记忆可塑性变化的不同动态模式。脑影像结果为同一脑认知活动（即相同的记忆提取的过程）导致了两种不同记忆效果的现象，提供了一个认知神经机制上的解释。
该研究是课题组近5年以来，在人脑[情绪]记忆调控 (Liu et al., 2016; Zhuang et al.,2020; Wang et al., 2021; Xiong et al., 2021)与情感认知相互作用领域一系列工作基础上(Zeng et al., 2021; Jiang et al., 2021; Tian et al., 2021)的延伸和拓展。
本项目获得了国家自然基金、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开放课题以及中国博士后科学基金特别资助等项目资助。课题组博士生庄理平和博士后王静怡为该论文的共同第一作者，其他作者依次为课题组博士生熊炳森、硕士毕业生卞诚、博士毕业生郝磊以及VA医院PeterBayley教授，通讯作者为秦绍正教授。感谢本项目实验设计、数据采集和分析，以及论文修改过程中北师大柳昀哲教授、北脑中心崔再续研究员、荷兰奈梅亨大学唐德斯研究所的Frederik Weber以及北师大脑成像中心的大力支持，感谢参与本项目的所有被试对科学研究的支持和奉献。
课题组网站：
http://icanbrainlab.bnu.edu.cn/en/infolist-99.html
文章信息：Zhuang,L., Wang, J., Xiong, B. et al. Rapid neural reorganization during retrieval practice predicts subsequent long-term retention and falsememory.Nature Human Behaviour (2021). https://doi.org/10.1038/s41562-021-01188-4
课题组在情绪记忆调控与情感认知相互作用领域前期论文(节选)：
B Xiong, C Chen, Y Tian, S Zhang, C Liu, TM Evans, G Fernández, J Wu, SQin* (2021). Brain preparedness: The proactive role of the cortisol awakening response in hippocampal-prefrontal functional interactions. Progress inNeurobiology 205, 102127.
J Wang*, B Chen, M Sha, Y Gu, H Wu, C Forcato, S Qin* (2021). Positiveand neutral updating reconsolidate aversive episodic memories via differentroutes. Neurobiology of Learning and Memory 184, 107500.
Y Liu, W Lin, CLiu, Y Luo, J Wu*, PJ Bayley, S Qin* (2016). Memory consolidation reconfigures neural pathways involved in the suppression of emotional memories.Nature communications 7 (1), 1-12.
S Zhang, C Bian, X Mai, S Qin*, C Liu* (2020). 睡眠对违反道德的负性情绪记忆的调节. Chinese Science Bulletin, 2020-0814.
Y Zeng, F Tao, ZCui, L Wu, J Xu, W Dong, C Liu, Z Yang, S Qin* (2021). Dynamic integration andsegregation of amygdala subregional functional circuits linking to physiological arousal.
NeuroImage, 118224
N Jiang, J Xu, XLi*, Y Wang, L Zhuang, S Qin* (2021).Negative parenting affects adolescent internalizing symptoms through alterations in amygdala-prefrontal circuitry: alongitudinal twin study. Biological Psychiatry 89 (6), 560-569.
T Tian, CBYoung, Y Zhu, J Xu, Y He, M Chen, L Hao, M Jiang, J Qiu, X Chen, S Qin* (2021).Socioeconomic Disparities Affect Children’s Amygdala-Prefrontal Circuitry viaStress Hormone Response. Biological psychiatry90(3),173-181.
Y Zhu, X Chen, HZhao, M Chen, Y Tian, C Liu, ZR Han, X Lin, J Qiu, G Xue, H Shu, S Qin* (2019).Socioeconomic status disparities affect children’s anxiety and stress-sensitivecortisol awakening response through parental anxiety. Psychoneuroendocrinology103, 96-103.