2025年4月24日，《eLife》期刊在线发表了题为《Stimulus representation in human frontal cortex supports flexible control in working memory》的研究论文，以及由专家撰写的Insight评论文章。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）俞青研究组完成。研究团队通过设计多层级的灵活工作记忆实验范式，结合功能性核磁共振与人工神经网络模拟，揭示了额叶和感觉皮层在工作记忆分布式皮层网络中的功能差异，为领域内关于额叶与感觉皮层等多脑区在工作记忆中的功能争论提供了重要的实验与理论证据。

对信息进行短暂地存储及操作的能力，即工作记忆，是大脑进行高级认知活动的基础。过往研究表明工作记忆中的记忆内容（例如记电话号码时的每一个数字）广泛地被储存在大脑的多个脑区，包括额叶、顶叶、感觉皮层等。这些脑区共同组成一个分布式的工作记忆皮层网络。然而，对于该网络中不同脑区在工作记忆中的功能差异，近年来在领域内一直有很大争论。

俞青组研究人员通过设计一项多层级的灵活工作记忆实验范式来探究这一问题。这项范式通过要求人类被试在工作记忆精细存储和信息分类两种工作记忆任务中进行灵活切换，进而探究精细存储和认知控制两项功能下工作记忆网络中不同脑区可能的功能差异。在此基础之上，研究人员进一步调节分类任务的灵活程度（多规则分类vs.单规则分类），并据此观察整个工作记忆网络在不同认知控制需求下的动态变化。

运用功能磁共振，研究人员发现，额叶、顶叶和感觉皮层都表现出了对记忆内容的神经表征，但其神经表征的强度随任务需求产生了不同方向的变化：感觉皮层的早期视觉皮层（early visual cortex）在精细记忆存储中表现出了更强的记忆内容神经表征，而额叶的上中央前沟（superior precentral sulcus）在信息分类中表现出了更强的记忆内容神经表征，并可以很好地预测分类记忆任务的表现。居于二者之间的顶叶的顶内沟（intraparietal sulcus），则在两种任务中表现出了相似的表征强度。这一发现表明，感觉皮层主要参与精细记忆信息的存储，而额叶主要参与信息的灵活控制功能。进一步地，研究人员发现额叶在分类任务中增强的记忆内容神经表征，与分类任务新生成的抽象类别神经表征，二者的强度存在取舍（trade-off），表明额叶在工作记忆中的神经表征反映了被试在不同认知控制需求下产生的编码策略的灵活变化。

结合以上实验结果，研究人员使用多模块循环神经网络（multi-module recurrent neural networks）执行相同的工作记忆任务，发现当要求整体网络输出保持记忆内容信息时，网络的神经表征与人类大脑的神经表征更为对齐，进一步验证额叶记忆内容表征的功能性。

图1：工作记忆任务范式与结果

这项工作刻画了感觉皮层在工作记忆精细存储和额叶在工作记忆灵活控制中的重要功能，表明工作记忆不同功能的实现依赖于由额叶、顶叶、感觉皮层构成的工作记忆分布式网络的整体协同作用，并与俞青组近期的多项工作，从工作记忆信息操作和控制（eLife, 2024；PLOS Biology, 2024；Cerebral Cortex, 2024）、基于想象的工作记忆（Cell Reports, 2023；Journal of Neuroscience, 2023）等角度，系统性地揭示了这一分布式功能网络随任务需求产生的动态变化。

图2：工作记忆网络各脑区功能特异性总结

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心俞青组的博士生邵朱珺和博士后张梦雅为该研究论文的共同第一作者，俞青研究员为该论文的通讯作者。该研究获得了中国科学院、科技部、基金委、上海市的资助。