2021年11月6至7日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所成立十周年庆典暨北京大学脑科学国际论坛成功举办。来自美国哈佛大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、英国伦敦大学学院、德国马普研究所、日本筑波大学、北京师范大学、中科院脑智卓越创新中心等国内外高校和科研机构的知名学者，从分子、细胞、环路、系统、认知、心理、计算、神经精神疾病等多个层面和角度，热情分享了他们在脑科学前沿研究的最新进展，并与线上线下观众频繁互动，在思维的碰撞中激荡出创新的火花。现陆续推出相关学术笔记，让我们重温精彩再出发！

　　本期推出的学术笔记，根据中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究员，所作的题为“Sequence representations in human and monkeys”的学术报告整理而成。

　　王立平研究员作学术报告并与嘉宾观众交流

　　撰稿：范莹、李嘉琪

　　审核：罗欢

　　我们的大脑是如何按顺序记住一系列客体的呢？是否可以觉察到顺序呈现的客体间的结构关系呢？是否可以将已经习得的序列结构信息，泛化到拥有相同结构信息的新异客体上呢？以及对于序列信息的加工水平，是否与其它认知功能相关？ 

　　王立平研究员在报告中以猴子、儿童、成人、和病人为被试，探究序列表征的特性，进而回答上述问题。

　　王立平研究员首先介绍的是关于空间位置序列工作记忆的研究。在该研究中（Zhang et al., 2021），会从6个可能空间位置（正六边形的六个定点）中，随机选择1个/2个/3个/4个空间位置，在屏幕上依次呈现，被试需要按顺序记住所呈现的空间位置；在一段延迟后，被试依次复现刚刚被呈现的空间位置（图1 A）。该任务在成人、儿童、和猴子上都进行了测试，在三类被试上呈现一致的经典工作记忆行为结果：1）长度效应（length effect）：随着需要记住的空间位置个数的增加，被试的正确率逐步下降；2）首因和近因效应(Primacy and recency effect)：被试对于一个序列第一个和最后一个item的记忆成绩较好，对其它顺序位置的记忆较差；（图1 B：横轴是顺序位置，纵轴是报告的正确率）3）错误会发生在呈现顺序相近（temporal interference）的空间位置（图1 C：横轴是顺序位置，纵轴是被报告的概率），或者空间位置本身相近（item interference）的位置上（图1 D）（横轴是报告位置与目标位置的距离，纵轴是报告概率）。

　　图1. 延时序列复现任务范式及成人、儿童、猴子在延时序列复现任务中的表现

　　通过记录猴子在完成该任务时前额叶神经元的活动，发现在神经元群体层面，序列位置信息和空间位置信息采用不同的方式进行编码。对神经元群体活动进行降维后发现：不同的序列位置通过具有正交关系的亚平面进行表征，而空间位置信息则通过每个亚平面内的不同位置进行编码。这一研究结果可以被增益调控(gain-modulation)模型很好地解释。在单个神经元层面上，有的神经元只参与一个亚平面内的空间位置信息表征，有的神经元则参与多个亚平面内的空间位置信息表征。对于后者，研究发现这些神经元在不同的亚平面，对不同的空间位置具有不同选择性，即神经元呈现出序列位置依赖的空间位置选择性。

　　实验还发现人类和猴子都可以学习到内嵌在序列呈现的客体间的关系结构（Zhang et al., 2021）。实验设计了30组具有不同关系结构的刺激（图2A），每组刺激中包含12个具有相同关系结构的刺激（图2 B）。假设被试可以形成对关系结构的表征，则具有相同关系结构的刺激间表征相似度会更高。实验表明成人和儿童可以形成对关系结构的表征（即具有相同关系结构的刺激间表征相似度更高），而猴子在没有奖赏（reward）的情况下，不能自发地形成对关系结构的表征（图2 CD）。在给予猴子奖赏的情况下，猴子可以习得刺激间的关系结构，还可以将学习到的关系结构迁移到新的刺激上，并且根据结构预测下一个刺激的空间位置。进一步的实验表明猴子可以学习特定的报告规则，比如重复（repeat）和镜像（mirror）。当猴子学会特定的规则后，即使给它呈现从未见过的刺激序列也能够按照要求进行再现任务，该结果说明猴子能够完成对抽象规则的学习。尽管如此，猴子和人类对于抽象规则的学习仍然存在巨大差别：1）学习速率上，猴子需要超过1年，多达10000-25000个试次的训练才能够习得这种规则，而儿童只需要5-10个试次就可以习得；2）学习的策略也不同，猴子一定需要奖赏才能习得规则，而人类对抽象规则的习得是自发的（Jiang et al., 2018）。

　　图2. 成人、儿童、和猴子对于抽象关系的提取

　　研究还发现具有层级结构的听觉语言材料可以用于预测植物人是否能够苏醒（Gui et al., 2020）。以往的研究发现给正常被试播放四字词组时，大脑中可以产生对单字（4Hz）、单个词语（2Hz）以及整个词组（1Hz）的跟踪响应(Ding et al., 2016)。实验结果表明，对词组的响应能力可以作为判断处于无意识状态的病人大脑功能状态的重要指标，并给出更准确的预后，为植物人病情的诊断提供了重要参考指标。

　　综上所述，王立平研究员的报告以猴子、儿童、成人、和病人为研究对象，系统探究了序列表征的特性和神经机制。对于空间位置序列工作记忆，序列信息和空间位置信息采用不同表征方式进行编码：相互垂直的亚平面表征不同的序列位置，通过每个亚平面内的不同位置对空间位置信息进行编码；猴子和儿童都可以习得由多个刺激组成的抽象结构关系及特定的报告规则，但猴子和儿童具有不同的学习速率和学习策略；通过探测植物人病人对具有层级结构的语言材料的神经响应情况，可以提高对植物人诊断和预后的准确性。

　　参考文献

　　1. Ding, N., Melloni, L., Zhang, H., Tian, X., & Poeppel, D. (2016). Cortical tracking of hierarchical linguistic structures in connected speech. Nature neuroscience, 19(1), 158-164.

　　2. Zhang, H., Zhen, Y., Yu, S., Long, T., Zhang, B., Jiang, X., ... & Wang, L. (2021). Working memory for spatial sequences: Developmental and evolutionary factors in encoding ordinal and relational structures. Journal of Neuroscience.

　　3. Gui, P., Jiang, Y., Zang, D., Qi, Z., Tan, J., Tanigawa, H., ... & Wang, L. (2020). Assessing the depth of language processing in patients with disorders of consciousness. Nature neuroscience, 23(6), 761-770.

　　4. Jiang, X., Long, T., Cao, W., Li, J., Dehaene, S., & Wang, L. (2018). Production of supra-regular spatial sequences by macaque monkeys. Current Biology, 28(12), 1851-1859.