工作記憶是如何在大腦中存儲的?

夏洛：大爺，樓上322住的是馬冬梅家嗎？

大爺：馬冬什麼？

夏洛：馬冬梅。

大爺：什麼冬梅啊？

夏洛：馬冬梅啊。

大爺：馬什麼梅啊？

夏洛：……行，大爺，您先涼快吧。

《夏洛特煩惱》裡的這段對話讓人捧腹，而從科學上來說，這位大爺的工作記憶只有2個字。

工作記憶是指大腦在秒級尺度內存儲和操縱信息的一種基本認知功能，它不僅是人們日常生活的基本需求，更是眾多人類獨有的高級認知功能的基礎，比如閱讀、思考、語言的學習等。

大腦如何在工作記憶中存儲信息呢？經過大約半個世紀的研究，科學家認為存在兩種可能的神經機制：持續性編碼和瞬時性編碼。

持續性編碼機制認為，大腦只需要通過少量的神經元持續性放電就可以存儲信息；瞬時性編碼機制認為，大腦更傾向於調用大量的神經元通過瞬時性放電（在單個細胞水平）來存儲信息。

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室李澄宇研究組，綜合應用行為學、光遺傳、電生理等手段對工作記憶的存儲機制進行了深入研究。

首先，研究人員利用頭部固定的小鼠成功地開發了一個基於嗅覺刺激的工作記憶行為範式和一套高效穩定的行為訓練系統。通過反證法，研究人員構思出一組可行性的實驗方案，即通過下調或者上調小鼠的行為水平，進而監測瞬時性和持續性神經元發生怎樣的變化。

研究人員發現，通過光遺傳的手段抑制無顆粒島葉皮層（aAIC）在延遲期的電活動，可以顯著地下調小鼠在學習期執行工作記憶任務的行為表現水平。結合三組對照實驗，他們證實了aAIC腦區主要參與工作記憶的短期信息存儲過程，而不是編碼感覺信息、動機水平、運動控制等。

更進一步，研究人員發現抑制從內側前額葉皮層（mPFC）到aAIC的投射也可以有效地下調小鼠的行為表現水平，以及瞬時性神經元的比例，但並沒有看到持續性神經元的比例發生一致的變化。

相反，激活從mPFC到aAIC的投射，可以顯著地上調行為水平和瞬時性神經元的比例。

這個結果提示，瞬時性神經元，而非持續性神經元，與小鼠執行工作記憶的行為表現水平有更緊密的關聯，即瞬時性編碼的神經機制更有可能負責在工作記憶中存儲信息。

為了進一步驗證這一結論，研究人員設計了第二組實驗。這組實驗的基本邏輯在於通過在工作記憶的過程當中人為地加入不同的幹擾性刺激，並監測瞬時性和持續性神經元與小鼠抵抗外部幹擾刺激能力的關聯性，進而推測是哪種神經元類群負責在工作記憶中存儲信息。

結果顯示，當小鼠成功地抵抗較弱的幹擾時，瞬時性神經元的比例顯著增加。相反，如果沒能有效地抵抗複雜的幹擾性刺激時，瞬時性神經元的比例也沒有出現相應的上升。而在兩組實驗中持續性神經元的比例都沒有發生任何顯著的變化。

這一結果提示，瞬時性神經元可以用於抵抗外部幹擾性刺激從而保證大腦能夠準確地存儲任務相關信息，進而成功地執行任務。

結合以上兩組實驗，該工作有力地論證了瞬時性神經元，而非持續性神經元，是負責在工作記憶的過程中存儲信息的關鍵組分，即在當前實驗條件下，大腦更傾向於通過瞬時性編碼的神經機制在工作記憶中存儲信息。相關論文3月5日在《神經元》期刊在線發表。