50多年來，心理學(xué)家和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到，工作記憶在多個(gè)目標(biāo)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)協(xié)調(diào)加工，并用不存在于當(dāng)前環(huán)境中的信息指導(dǎo)行為的重要性。近年來，心理學(xué)理論和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)都集中在這樣一個(gè)觀點(diǎn)上，即信息是通過將注意力分配到內(nèi)部表征中編碼進(jìn)入工作記憶的，無論是語義長時(shí)記憶(如字母、數(shù)字、單詞)、感覺記憶還是運(yùn)動(dòng)記憶。因此，基于信息的人類功能MRI數(shù)據(jù)多變量分析通常發(fā)現(xiàn)刺激區(qū)域臨時(shí)表征的證據(jù)，這些區(qū)域也在非工作記憶環(huán)境中加工信息。另一方面，前額葉皮層（PFC）通過偏倚記憶表征的顯著性，并在相互競爭的、環(huán)境相關(guān)的規(guī)則中做出判斷，來控制行為?！翱刂破鞯目刂啤痹从赑FC和紋狀體回路以及上行多巴胺能神經(jīng)調(diào)節(jié)信號之間復(fù)雜的相互作用。本文發(fā)表在Annual Review of Psychology雜志。
面向工作記憶過程的雙向額頂振蕩系統(tǒng)關(guān)鍵詞：工作記憶，短時(shí)記憶，認(rèn)知控制，自上而下，前額葉皮層，連接性，多巴胺 引言工作記憶一詞被引入到行為文獻(xiàn)中可以追溯到Miller等人(1960)在《計(jì)劃與行為結(jié)構(gòu)》一書中的一段話，說的是：因此，在不涉及任何具體機(jī)制的情況下，我們應(yīng)該將我們用于執(zhí)行計(jì)劃的記憶稱為一種快速訪問，即“工作記憶”?？赡苡袔讉€(gè)計(jì)劃，或者一個(gè)計(jì)劃的幾個(gè)部分，都同時(shí)存儲在工作記憶中。特別是，當(dāng)一個(gè)計(jì)劃被其他計(jì)劃的需求打斷時(shí)，我們必須能夠記住被打斷的計(jì)劃，以便在機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)繼續(xù)執(zhí)行它。當(dāng)一個(gè)計(jì)劃被轉(zhuǎn)移到工作記憶中時(shí)，我們通過稱之為“意圖”來認(rèn)識到它未完成部分的特殊狀態(tài)?！?65頁)此后不久，Pribram和他的同事(1964)推測支持工作記憶的神經(jīng)機(jī)制可能包括前額葉皮層(PFC)。他們?nèi)绱苏J(rèn)為是基于PFC損傷在各種測試中產(chǎn)生的缺陷，這些測試在目標(biāo)刺激和隨后的目標(biāo)相關(guān)反應(yīng)之間施加延遲(或者，在延遲交替的情況下，在一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行和依賴于前者的后續(xù)動(dòng)作的執(zhí)行之間)。然而，工作記憶最持久的概念化是多成分模型，由實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家Alan Baddeley和Graham Hitch于1974年提出。該模型的建立是為了解決當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)中的兩個(gè)因素。首先，Baddeley和Hitch的評估認(rèn)為，短時(shí)記憶（STM）模型沒有捕捉到這樣一個(gè)事實(shí)，即在意識中，對信息進(jìn)行的心理操作可以獨(dú)立于與長期記憶(LTM)的交互或影響進(jìn)行；例如，保持性復(fù)述最近被證明不能增強(qiáng)LTM中的編碼。其次，他們的研究表明，如果雙任務(wù)都涉及不同的信息領(lǐng)域，特別是語言和視覺空間，那么雙任務(wù)在不同的任務(wù)條件下的表現(xiàn)可能接近單任務(wù)條件下的表現(xiàn)水平。因此，他們的模型的最初版本需要兩個(gè)STM緩沖區(qū)（分別稱為“語音回路”和“視覺空間模板”），它們可以彼此獨(dú)立運(yùn)行，也可以獨(dú)立于LTM，盡管兩者都在一個(gè)他們稱為“中央執(zhí)行”的獨(dú)立系統(tǒng)的控制下。從功能的角度來看，工作記憶多成分模型完成了Miller等人(1960)認(rèn)為的緩沖和協(xié)調(diào)操作，如果一個(gè)人能夠同時(shí)維持并成功地執(zhí)行多個(gè)行為目標(biāo)，這是至關(guān)重要的。1986年， Baddeley將其概括為“在一系列認(rèn)知任務(wù)中加工信息的臨時(shí)存儲”(第34頁)。第二年，Goldman-Rakic(1987)以一種頗具影響力的綜合認(rèn)知和神經(jīng)生物學(xué)視角回應(yīng)了這些觀點(diǎn)，指出“通過對刺激的記憶表征而不是刺激本身來引導(dǎo)行為的能力的進(jìn)化，引入了概念和計(jì)劃可以控制行為的可能性”(p378)。因此，“通過辨別性刺激的表征而不是辨別性刺激本身來引導(dǎo)行為的能力是進(jìn)化的一個(gè)主要成就”(p378)。這些文章揭示了工作記憶是成功執(zhí)行復(fù)雜行為的基礎(chǔ)，無論參與的認(rèn)知領(lǐng)域是什么。當(dāng)工作記憶失效時(shí)，進(jìn)行許多日常生活活動(dòng)的能力也會(huì)衰退。從這個(gè)角度來看，工作記憶在許多以行為障礙為特點(diǎn)的神經(jīng)和精神綜合征中會(huì)受到損害，這并不令人驚訝。工作記憶對于理解正常行為和病理行為的中心作用可能反映在對其研究的強(qiáng)度上：2014年末，在PubMed中搜索工作記憶一詞獲得了18224次引用，在谷歌學(xué)術(shù)中獲得了1580，000次結(jié)果。雖然我們不能僅僅在一篇綜述中就對如此龐大的文獻(xiàn)做出客觀評價(jià)，但我們確實(shí)希望從認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的角度強(qiáng)調(diào)我們認(rèn)為的工作記憶研究的重要進(jìn)展。 1 工作記憶的認(rèn)知模型當(dāng)我們撰寫本文的時(shí)候，工作記憶的多成分模型正在慶祝它的40周年紀(jì)念日，從大約1985年到2005年——人們可以認(rèn)為是關(guān)于工作記憶的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的頭20年——這是主導(dǎo)的理論框架。然而，最近，基于狀態(tài)的模型（state-based models）越來越受到重視。同為一個(gè)層級，這些模型假設(shè)注意力分配到內(nèi)部表征——無論是語義長時(shí)記憶(如字母、數(shù)字、單詞)、感覺還是運(yùn)動(dòng)記憶——是工作記憶中信息的短期保留的基礎(chǔ)。這些模型將工作記憶中的信息視為存在于注意力分配所建立的幾種激活狀態(tài)之一。我們對基于狀態(tài)的模型的簡要回顧分為兩類：激活LTM模型（activated LTM models）和感覺運(yùn)動(dòng)募集模型（sensorimotor recruitment models）。雖然這兩種模型出現(xiàn)在不同的文獻(xiàn)中，但它們之間的主要區(qū)別似乎只是各自提出的刺激類別。也就是說，激活的LTM模型基本上是針對通常認(rèn)為是語義的符號刺激（例如字母、單詞、數(shù)字）進(jìn)行闡述和測試的。然而，感覺運(yùn)動(dòng)募集模型通常用于認(rèn)為是感知的刺激類別（例如，視覺顏色和方向、聽覺音調(diào)、觸覺振動(dòng)頻率）。然而，盡管存在這些表層的差異，但這兩類依賴于狀態(tài)的工作記憶模型都基于這樣一種觀點(diǎn)，即心理表征的注意選擇將它們帶入工作記憶，注意優(yōu)先化的結(jié)果解釋了能力限制、不相關(guān)項(xiàng)目的前攝干擾等特性。 1.1 LTM表征的臨時(shí)激活最正式化的基于狀態(tài)的模型子集與LTM中存在語義表征信息的工作記憶有關(guān)。在基于狀態(tài)的模型中，Cowan（1995）描述了STM中兩種不同的狀態(tài)：一種稱為關(guān)注焦點(diǎn)（FoA）的容量有限的、小的狀態(tài)，以及一種稱為LTM激活部分（稱為激活LTM）的更廣泛的狀態(tài)。在這個(gè)模型中，F(xiàn)oA（關(guān)注焦點(diǎn)）對應(yīng)于一個(gè)人在任何時(shí)候都可以通過自上而下的注意控制在工作記憶中存儲的大約四個(gè)信息塊。當(dāng)注意力隨后轉(zhuǎn)移到其他信息時(shí)，先前在FoA中的項(xiàng)目會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ畹腖TM。激活LTM本身沒有容量限制，但易受時(shí)間衰減和干擾影響。Oberauer（2002年、2009年）在三嵌入式成分理論（three-embedded-components theory）中提出了這種兩水平模型的一種變式。在這個(gè)理論中，Cowan模型中的四項(xiàng)FoA被重新定義為一個(gè)直接訪問區(qū)域，較窄的FoA可以從中有效地選擇信息。FoA可以有效地選擇信息。工作記憶中這兩種假設(shè)狀態(tài)本身都不存在容量限制。相反，在直接訪問區(qū)域和FoA中可以保留的信息量僅受到工作記憶中保留的對象特征之間綁定干擾的限制（Oberauer 2013）。McElree（1998年、2006年）提出的第三種模型假設(shè)了兩種記憶狀態(tài)：一種是一項(xiàng)容量限制嚴(yán)格的FoA，另一種是LTM，所有項(xiàng)目都存在于“記憶強(qiáng)度”的分級連續(xù)體中，一個(gè)項(xiàng)目的記憶強(qiáng)度（我們將其理解為激活水平）隨著其最近在FoA中的時(shí)間而下降，并且所有項(xiàng)目都可以同樣從中訪問。盡管在術(shù)語上存在一些差異，但這些模型都假設(shè)了以下幾點(diǎn)：當(dāng)我們看到要記憶的符號信息時(shí)(例如，一串名字或一個(gè)電話號碼)，在知覺識別加工中獲取這些信息的長時(shí)記憶表征，然后通過注意力，將其維持在一種高度激活的狀態(tài)，直到不再需要這些信息來實(shí)現(xiàn)某個(gè)近期目標(biāo)(為了我們的目的，我們忽略了是否存在一種或多種不同的注意力優(yōu)先化狀態(tài)，并將其總結(jié)為FoA)。這些模型解釋了廣泛的行為研究結(jié)果，支持工作記憶中存在不同狀態(tài)的信息表征。例如，Oberauer(2001，2002，2005)和他的同事們已經(jīng)利用Sternberg效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)對記憶探針識別判斷的反應(yīng)時(shí)隨著工作記憶中同時(shí)保存的項(xiàng)目數(shù)線性增加。Oberauer的研究修改了Sternberg的基本記憶范式，在記憶延遲期間引入一個(gè)回溯線索，告知被試最初呈現(xiàn)的記憶項(xiàng)目中只有一部分與即將到來的探測有關(guān)。如果有足夠的時(shí)間來加工這段回憶，被試對線索物品的記憶探測反應(yīng)會(huì)更快(也就是說，如果他們現(xiàn)在持有的記憶集更小，就會(huì)預(yù)測到這一點(diǎn))。然而，未提示項(xiàng)并沒有被完全遺忘，當(dāng)它們以負(fù)(待拒絕)內(nèi)存探針的形式呈現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)以入侵成本的形式繼續(xù)影響正在進(jìn)行的加工，影響反應(yīng)時(shí)。這種入侵效應(yīng)持續(xù)5秒，在未提示項(xiàng)停止影響已提示項(xiàng)的反應(yīng)時(shí)之后很長時(shí)間。因此，假設(shè)未被提示的項(xiàng)目已從FoA中移除，但在激活的LTM中持續(xù)存在(Oberauer 2001)。通過改變回溯到記憶探測的異步性，Oberauer(2005)估計(jì)從FoA中刪除未提示的項(xiàng)目需要1秒。在FoA之外是否存在一種或多種定性離散的激活狀態(tài)仍然是主要的研究主題。
1.2 感覺運(yùn)動(dòng)募集工作記憶的感覺運(yùn)動(dòng)募集模型的基本前提是，用于感知信息的系統(tǒng)和表征也有助于信息的短期保留。這類模型的一個(gè)早期范例是基于注意的復(fù)述，即空間中的某個(gè)位置可以通過將注意力隱蔽地分配到該位置而保持在工作記憶中(如Awh & Jonides 2001)。對于其他感官信息領(lǐng)域，如視覺感知的空間頻率、對比、方向或運(yùn)動(dòng)，行為證據(jù)表明，每一個(gè)信息都以高度刺激特異性的方式被保留，最簡單的解釋是感官表征本身的持續(xù)激活。我們將在下一節(jié)中展示，越來越多的神經(jīng)學(xué)證據(jù)支持這一論點(diǎn)。在文獻(xiàn)中，“感覺募集”的標(biāo)簽比“感覺運(yùn)動(dòng)募集”更常見。然而，我們更喜歡后者，以適應(yīng)感官注意和運(yùn)動(dòng)意圖之間的親密的、往往是無法分割的耦合。這種區(qū)別非常重要，尤其是在空間工作記憶的背景下，這種記憶不僅會(huì)被將注意力吸引到一個(gè)分散注意力的位置破壞，而且還會(huì)被同時(shí)執(zhí)行與任務(wù)無關(guān)的運(yùn)動(dòng)序列，如眼球運(yùn)動(dòng)，敲擊等。相反，當(dāng)一個(gè)人同時(shí)在工作記憶中保持一個(gè)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)活動(dòng)(如掃視的軌跡)會(huì)發(fā)生改變。這些結(jié)果支持了這樣一個(gè)觀點(diǎn)，即記住位置的坐標(biāo)會(huì)立即整合到一個(gè)顯著性地圖中，該地圖同時(shí)將它們保存在大腦系統(tǒng)中，該系統(tǒng)將它們表征為一種知覺，并將其表征為各種運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器的行動(dòng)目標(biāo)。
1.3 視覺工作記憶的容量限制對感覺運(yùn)動(dòng)募集模型進(jìn)行深入研究的一個(gè)重點(diǎn)是解釋能力限制的因素。這項(xiàng)工作的大部分是在Luck（1997）的一項(xiàng)變化檢測任務(wù)的實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行的，在該任務(wù)中，一組彩色方塊（從單個(gè)方塊到10個(gè)或更多的不同試次）呈現(xiàn)幾百毫秒，然后是一個(gè)短暫（約1秒）的空白延遲，然后是一個(gè)探測陣列，其中包含相同數(shù)量的項(xiàng)目，但在一半的試次中呈現(xiàn)一個(gè)不同顏色的項(xiàng)目（是/否識別程序）。通過對結(jié)果應(yīng)用一個(gè)簡單的代數(shù)公式，研究人員估計(jì)被試的視覺STM能力在三到四項(xiàng)之間。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)人的能力不隨用于個(gè)性化對象的特征數(shù)量而變化，直到由四種特征組合定義的對象。這一觀察結(jié)果導(dǎo)致他們假設(shè)，視覺STM的能力受到有限數(shù)量的假設(shè)槽的限制，每個(gè)插槽都能夠存儲對象表征，而不管任何單個(gè)對象的復(fù)雜性如何（Vogel et al.2001）。這個(gè)插槽模型至少從兩個(gè)角度受到挑戰(zhàn)，在撰寫本文時(shí)，視覺STM容量限制的本質(zhì)仍然是一個(gè)激烈辯論的話題。一個(gè)懸而未決的問題是物體復(fù)雜性的影響——與Vogel等人(2001)的發(fā)現(xiàn)相反，其他人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)視覺STM能力隨著物體復(fù)雜性的增加而下降(如Alvarez & Cavanagh 2004)。第二個(gè)挑戰(zhàn)來自于視覺STM能力可能不依賴于有限數(shù)量的插槽，而是依賴于單一的注意力資源。當(dāng)測試視覺STM的過程從識別轉(zhuǎn)變?yōu)榛貞洉r(shí)，后一種觀點(diǎn)的證據(jù)被整理出來。這種程序性的變化使研究人員能夠通過測量回憶反應(yīng)中的錯(cuò)誤來估計(jì)記憶表征的準(zhǔn)確性。例如，STM對于一個(gè)或多個(gè)序列片段的定位，當(dāng)被試同時(shí)記住幾個(gè)刺激時(shí)，與只記住一個(gè)刺激時(shí)相比，他們在回憶被探索刺激的定位時(shí)的平均錯(cuò)誤更大(bayes & Husain， 2008)。也就是說，作為記憶集大小的函數(shù)，記憶精度(回憶錯(cuò)誤的倒數(shù))單調(diào)地下降，如果STM被有限的資源支持，就會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果，隨著記憶集中的條目數(shù)量的增加，這種資源必須被分配得越來越少。插槽模型已經(jīng)做出修改，以允許在槽內(nèi)可變的表征精度，但仍然存在一個(gè)有爭議的問題，即如何最好地解釋容量限制：是個(gè)體可以在STM保留的信息量有限，因?yàn)樗呀?jīng)耗盡插槽(在這種情況下，可以預(yù)測表現(xiàn)的絕對上限)或因?yàn)樗淖⒁饬Y源分配的太少，以至于任何一個(gè)項(xiàng)目的記憶保真度都太差，無法檢索？關(guān)于這些問題的優(yōu)秀綜述，請參閱Ma等人(2014)和Luck & Vogel(2013)。
目鏡式功能磁共振刺激系統(tǒng)介紹
2 工作記憶的神經(jīng)機(jī)制我們可以從許多細(xì)節(jié)層面來考慮一種機(jī)制——某件事發(fā)生的過程。在這里，我們首先考慮，在一個(gè)相對抽象的水平上，激活長期記憶和感覺運(yùn)動(dòng)募集的總體思路的證據(jù)。隨后，我們將討論這些現(xiàn)象背后的特定系統(tǒng)水平的神經(jīng)機(jī)制。我們預(yù)期一個(gè)可能的結(jié)論：工作記憶中有許多神經(jīng)機(jī)制支持信息的短期保留，而且許多機(jī)制可能同時(shí)運(yùn)作。
2.1 工作記憶基于狀態(tài)描述的神經(jīng)可行性近年來，基于狀態(tài)的工作記憶模型越來越受到重視，因?yàn)檎J(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究表明，它們能很好地適應(yīng)神經(jīng)數(shù)據(jù)。自從研究人員開始將多變量模式分析（MVPA）技術(shù)應(yīng)用于人類功能性神經(jīng)成像數(shù)據(jù)以來，這些技術(shù)尤其成功。例如，為了探索LTM的臨時(shí)激活， Lewis Peackok和 Postle（2008）采用了以下方法。首先，他們用功能磁共振成像（fMRI）掃描被試，同時(shí)被試做出判斷，要求他們從LTM獲取信息：名人的親和力；游覽著名景點(diǎn)的愿望；他們最近使用的一個(gè)熟悉物體。接下來，在掃描儀外，他們要求被試在刺激集的項(xiàng)目之間進(jìn)行配對聯(lián)想。最后，他們對被試進(jìn)行了第二次掃描，但被試對配對聯(lián)想進(jìn)行了延遲識別（即，在試次開始時(shí)查看LTM記憶集中的一個(gè)項(xiàng)目，并指出試次結(jié)束時(shí)探測是否與該項(xiàng)目專門配對）。這些研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被試訪問和思考LTM中的信息時(shí)，根據(jù)第一次掃描數(shù)據(jù)訓(xùn)練的多元模式分類器可以成功解碼被試第二次掃描的在工作記憶中持有的信息類別。只有當(dāng)工作記憶任務(wù)和LTM任務(wù)使用相同的神經(jīng)表征時(shí)，這種結(jié)果才可能出現(xiàn)。用MVPA產(chǎn)生工作記憶的感覺運(yùn)動(dòng)募集模型令人信服的證據(jù)。也許工作記憶中支持感覺-運(yùn)動(dòng)-記憶模型的最具一致性的證據(jù)來自兩項(xiàng)研究，這兩項(xiàng)研究使用了多變量方法，將目標(biāo)刺激在感覺皮層中的延遲期神經(jīng)表征精度與記憶精度的行為指標(biāo)聯(lián)系起來，表明“感覺皮層活動(dòng)模式的相對'質(zhì)量’決定了個(gè)體記憶的清晰度”。在一項(xiàng)研究中，Ester及其同事（2013）表明，根據(jù)來自這些區(qū)域的延遲周期信號估計(jì)的V1和V2區(qū)域的總體調(diào)諧曲線的精度預(yù)測了被試在延遲周期結(jié)束時(shí)重建目標(biāo)方向的保真度。在另一項(xiàng)研究中，Emrich等（2013）在不同的試次中改變了必須記住的運(yùn)動(dòng)方向的數(shù)量，并發(fā)現(xiàn)延遲回憶精度中負(fù)荷相關(guān)的下降和MVPA解碼性能中負(fù)荷相關(guān)的下降之間存在被試相關(guān)性。在視覺呈現(xiàn)刺激的工作記憶測試延遲期間，使用經(jīng)顱磁刺激（TMS）改變感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)活動(dòng)的研究結(jié)果補(bǔ)充了這些功能磁共振成像研究。例如，Hamidi及其同事（2008年、2009年）已經(jīng)證明，頂葉皮層和額眼區(qū)的延遲周期重復(fù)性TMS會(huì)選擇性地影響空間工作記憶的表現(xiàn)。對于視覺運(yùn)動(dòng)的工作記憶，一種更細(xì)致的方法利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即視覺區(qū)域MT的TMS可以產(chǎn)生對移動(dòng)閃光的感知——一種在閃光區(qū)域內(nèi)包含相干運(yùn)動(dòng)的閃光。在刺激的對側(cè)視野中，運(yùn)動(dòng)方向在遠(yuǎn)離前庭的周圍產(chǎn)生明顯的感受性。Silvanto(2010)證明，當(dāng)被試使用STM來確定目標(biāo)刺激的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，TMS的傳遞會(huì)系統(tǒng)地影響這種知覺。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與閃光的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，對移動(dòng)閃光的感知增強(qiáng)。然而，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，對移動(dòng)閃光的感知就會(huì)降低。這些結(jié)果表明，MT的生理狀態(tài)隨著記憶的運(yùn)動(dòng)方向而系統(tǒng)地變化，就像存在刺激時(shí)，MT的生理狀態(tài)隨著感知的運(yùn)動(dòng)方向而系統(tǒng)地變化一樣。
2.2 系統(tǒng)層面的工作記憶工作記憶并不像視覺和運(yùn)動(dòng)控制那樣來自離散系統(tǒng)。更確切地說，工作記憶是大腦的一種屬性，它支持成功實(shí)現(xiàn)行為目標(biāo)，這些目標(biāo)是由幾個(gè)系統(tǒng)中的任何一個(gè)實(shí)現(xiàn)的，包括感覺系統(tǒng)、語義和情景記憶的基礎(chǔ)系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。接下來我們將回顧五種可能構(gòu)成工作記憶功能的神經(jīng)機(jī)制。
持續(xù)性神經(jīng)活動(dòng)1971年，隨著兩項(xiàng)研究的發(fā)表，工作記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)研究取得了重大進(jìn)展。在一項(xiàng)研究中，F(xiàn)uster和 Alexander（1971）報(bào)告說，在延遲反應(yīng)任務(wù)階段，PFC神經(jīng)元表現(xiàn)出持續(xù)活動(dòng)，猴子必須積極維護(hù)不再存在但與成功完成任務(wù)相關(guān)的信息。在第二個(gè)研究中，Kubota 和 Niki(1971)報(bào)告在延遲交替任務(wù)的延遲期間有類似發(fā)現(xiàn)。在沒有外界刺激的情況下，神經(jīng)元產(chǎn)生持續(xù)活動(dòng)的能力可能對工作記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)至關(guān)重要。在這些里程碑式的發(fā)現(xiàn)之后，許多其他實(shí)驗(yàn)室也在PFC中發(fā)現(xiàn)了與工作記憶相關(guān)的神經(jīng)元(如Funahashi et al. 1989， Miller et al. 1996)。隨著功能磁共振成像技術(shù)在20世紀(jì)90年代早期的出現(xiàn)，研究人員隨后證明，人類PFC也表現(xiàn)出持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)，似乎在工作記憶任務(wù)中編碼與任務(wù)相關(guān)的信息(參見Courtney et al. 1997和Zarahn et al. 1997第一個(gè)此類研究)?；顒?dòng)的許多特征都支持這樣的觀點(diǎn)，即PFC維持對指導(dǎo)行為至關(guān)重要的表征。首先，神經(jīng)活動(dòng)貫穿整個(gè)延遲期，直到可以用來引導(dǎo)反應(yīng)(Funahashi et al. 1989， Fuster & Alexander 1971)。第二，它直接與行為相關(guān)。例如，在進(jìn)行眼動(dòng)延遲反應(yīng)任務(wù)時(shí)，額葉皮層fMRI信號的大小反映了維持表征的保真度(Curtis et al. 2004)。一個(gè)無法用功能磁共振成像(fMRI)來回答的開放問題是，持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)背后的機(jī)制是什么。具體而言，皮層-皮層回路(長期反復(fù)相互作用)、丘腦-皮層回路或局部皮層機(jī)制(如興奮性混音)對持續(xù)神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的相對重要性尚未確定(Pesaran et al. 2002， Wang 2001)。除了上面總結(jié)的環(huán)路層面的問題之外，最近的研究將MVPA應(yīng)用于功能磁共振成像和腦電圖(EEG)數(shù)據(jù)，對持續(xù)神經(jīng)活動(dòng)支持的功能提出了有趣的問題。這些問題分為兩類，一類是關(guān)于支持短期保留信息的持續(xù)遲延期活動(dòng)的性質(zhì)，另一類是關(guān)于這種活動(dòng)的必要性。第一個(gè)問題來自經(jīng)典觀察到的額頂葉區(qū)域的高活躍度和MVPA檢測到的感覺加工相關(guān)區(qū)域的閾下活動(dòng)模式之間的分離。正如harrison 和tong(2009)及serences等(2009)首次描述的，視覺刺激信息的延遲-周期保留可以從V1解碼，盡管該區(qū)域沒有持續(xù)的高信號水平。Riggall和Postle(2012)及Emrich等人(2013)的后續(xù)研究重復(fù)了這些發(fā)現(xiàn)，也明確沒有發(fā)現(xiàn)刺激信息存在于額葉和頂葉區(qū)域的延遲期活動(dòng)增加的證據(jù)。此外，Sreenivasan等人(2014)表明，閾值以上延遲期活動(dòng)的幅度與MVPA分類的特征權(quán)重并沒有正相關(guān)。所有這些研究的一個(gè)啟示是，閾值以上的延遲期活動(dòng)可能支持信息存儲本身以外的功能。確定這些功能是本綜述的最后一部分的主題。第二個(gè)含義是，從傳統(tǒng)單變量統(tǒng)計(jì)的角度來看，驅(qū)動(dòng)感覺區(qū)MVPA可解碼活動(dòng)的神經(jīng)元過程在閾下運(yùn)行。因此，未來研究的一個(gè)重要重點(diǎn)將是了解這種閾下延遲期活動(dòng)的性質(zhì)。一種可能的解釋是，它只是反映了種群水平上峰值的減少，在沒有自下而上驅(qū)動(dòng)的情況下，感覺區(qū)域的峰值減少是意料之中的。第二種可能性與第一種可能性相互兼容，即MVPA可能檢測局部場電位(LFPs)振蕩中的區(qū)域異質(zhì)性。也就是說，延遲周期刺激表征可以在LFP中編碼，LFP持續(xù)存在于當(dāng)刺激存在時(shí)表現(xiàn)出高激發(fā)的相同網(wǎng)絡(luò)中。功能磁共振成像和腦電圖數(shù)據(jù)的MVPA強(qiáng)調(diào)的第二個(gè)問題是，持續(xù)性活動(dòng)是否有必要在工作記憶中保留信息。當(dāng)Lewis-Peacock及其同事（2012年）掃描執(zhí)行多步延遲識別任務(wù)的被試時(shí)，提出了這個(gè)概念，該任務(wù)首先呈現(xiàn)兩個(gè)樣本，然后呈現(xiàn)一個(gè)線索，以指示哪些與第一個(gè)記憶探針相關(guān)；在第一個(gè)探針之后，是第二個(gè)回溯線索，表明哪一個(gè)刺激與第二個(gè)記憶探針試次結(jié)束時(shí)相關(guān)。在這個(gè)過程中，一個(gè)項(xiàng)目可能與第一個(gè)記憶探針（非注意記憶項(xiàng)）無關(guān)，但與第二個(gè)記憶探針相關(guān)。盡管作者最初預(yù)測，無人參與記憶項(xiàng)目的MVPA證據(jù)將在FoA和基線之間處于中間水平，但這一結(jié)果并不是他們發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。相反，作為對回溯線索的回應(yīng)， MVPA證據(jù)顯示非注意記憶項(xiàng)下降到了基線水平。盡管如此，這個(gè)項(xiàng)目仍然保留在工作記憶中，如果第二個(gè)回溯線索提示，它成功地被提取就證明了這一點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在一項(xiàng)腦電圖研究中得到了復(fù)制，從而排除了非注意記憶項(xiàng)可能被轉(zhuǎn)移到一個(gè)振蕩編碼中的可能性，而功能磁共振成像對此不敏感（LaRocque et al. 2013）。因此，這些發(fā)現(xiàn)突顯了一種有趣的可能性，即持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)可能不是維持工作記憶中的表征所必需的。事實(shí)上，從事其他層次研究的研究人員也在探索這種可能性，包括計(jì)算建模、體外電生理學(xué)和行為猴的細(xì)胞外記錄。在計(jì)算上，信息可能通過突觸重量的快速變化在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)。在這種情況下，樣本刺激的編碼將通過參與其初始加工的網(wǎng)絡(luò)中的突觸權(quán)值的短暫重構(gòu)來完成。當(dāng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)被隨后的一系列活動(dòng)激活時(shí)，工作記憶的內(nèi)容可能會(huì)逐漸被激活(Itskov et al. 2011，Mongillo et al. 2008，Sugase-Miyamoto et al. 2008)。與這種機(jī)制一致的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)已經(jīng)記錄在猴子的腹側(cè)顳葉皮層(Sugase-Miyamoto et al. 2008)和PFC (Stokes et al. 2013)。哪種機(jī)制可以支持實(shí)施這樣一個(gè)計(jì)劃所需的短期突觸易化? 理論上，Mongillo等人(2008)提出了剩余的突觸前鈣水平。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Erickson等人(2010)證明，在體外制劑中，一種相關(guān)的短期增強(qiáng)作用依賴于谷氨酸受體。顯然，與其他不依賴于基線以上活動(dòng)的機(jī)制相比，持續(xù)神經(jīng)活動(dòng)對維持工作記憶表征的相對貢獻(xiàn)應(yīng)該是未來研究的重點(diǎn)。
無論是通過持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)、突觸機(jī)制或兩者的某種組合來維持工作記憶表征，這些存儲機(jī)制都與基于狀態(tài)的工作記憶模型相一致，這樣就不需要將當(dāng)前相關(guān)的表征轉(zhuǎn)移到數(shù)量有限的專用緩沖區(qū)。在神經(jīng)方面，任何一組神經(jīng)元都可以充當(dāng)緩沖區(qū)。此外，從初級皮層到多模態(tài)關(guān)聯(lián)皮層，所有神經(jīng)元都可能具有持續(xù)性神經(jīng)活動(dòng)或突觸重量變化的能力?？傊?，位于大腦任何地方的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)都有可能存儲信息，這些信息可以在服務(wù)于目標(biāo)導(dǎo)向行為時(shí)被激活。
前額葉皮層的層次化表征PFC中神經(jīng)編碼的本質(zhì)是什么?有人提出PFC的持續(xù)活動(dòng)代表了工作記憶中保持信息的感覺特征(Goldman-Rakic 1995)。事實(shí)上，在系統(tǒng)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)文獻(xiàn)中，我們可以看到PFC刺激表征模型的變量流行度與工作記憶的多成分模型密切相關(guān)。最近，人們更加強(qiáng)調(diào)PFC實(shí)際上對工作記憶中保持項(xiàng)目和特征表現(xiàn)出粗略的選擇性(Constantinidis et al. 2001)。此外，PFC延遲期的活動(dòng)可以代表廣泛的任務(wù)變量，而這些任務(wù)變量與要記憶的刺激沒有直接關(guān)系。例如，猴子的外側(cè)PFC神經(jīng)元表現(xiàn)出對任務(wù)規(guī)則的不同偏好(Warden & Miller 2010)、偶發(fā)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)(Romo et al. 1999)和刺激-反應(yīng)映射(Wallis et al. 2001)。研究外側(cè)PFC延遲活動(dòng)的人群編碼也發(fā)現(xiàn)了刺激信息(Stokes et al. 2013)、規(guī)則(Riggall & Postle 2012)和物體類別(Meyers et al. 2008)貫穿工作記憶任務(wù)的延遲期。事實(shí)上，Rigotti和他的同事(2013)最近已經(jīng)證明PFC內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)被調(diào)整為多個(gè)任務(wù)相關(guān)變量的混合物，這表明PFC表現(xiàn)具有高維性。也就是說，需要多個(gè)維度來描述不同的(多變量)模式，這些模式可以在不同的實(shí)驗(yàn)條件下被采樣的神經(jīng)元群體所呈現(xiàn)。此外，這種維數(shù)可以預(yù)測動(dòng)物的行為：PFC神經(jīng)元的種群在錯(cuò)誤試次中顯示維數(shù)下降。最早報(bào)告PFC內(nèi)部持續(xù)活動(dòng)的作者提供了與許多當(dāng)前模型一致的解釋。幾項(xiàng)人類功能磁共振成像研究直接研究了PFC與后部皮層區(qū)域相比保持表征的本質(zhì)。在一項(xiàng)研究中，被試觀看了一個(gè)圓點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的樣本展示，然后，在延遲期中途，告知被試，他們是否會(huì)在記憶中檢測樣本運(yùn)動(dòng)的速度或方向。刺激方向的延遲期MVPA解碼僅在與視覺感知相關(guān)的枕葉皮層外側(cè)和內(nèi)側(cè)區(qū)域成功。然而，PFC被認(rèn)為代表了任務(wù)績效的一個(gè)更抽象水平：試次是速度試次還是方向試次(Riggall & Postle 2012)。另一項(xiàng)使用不同刺激但過程相似的研究發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，被試首先觀看一個(gè)普通物體，然后被告知記憶探針是否需要精細(xì)的知覺判斷或類別成員判斷。在知覺試次中，MVPA解碼了腹側(cè)枕顳葉皮層而不是PFC中的刺激識別。在類別試次中，MVPA解碼了來自PFC而非來自枕顳葉皮層的刺激分類(Lee et al. 2013)。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)與之前的研究一致，表明外側(cè)PFC優(yōu)先編碼和維護(hù)物體分類的任意和抽象表征，而不是視覺相似性的表征(Chen et al. 2012; Freedman et al. 2001， 2003; Meyers et al. 2008)。另一項(xiàng)fMRI研究進(jìn)一步支持了刺激選擇性外側(cè)PFC表征和感覺表征之間的區(qū)別，該研究要求被試在短時(shí)間內(nèi)記住面孔或場景或兩種信息類別(Sreenivasan et al. 2014)。研究人員推斷，如果一個(gè)區(qū)域支持工作記憶刺激的感官表征，那么記住面孔試次應(yīng)該經(jīng)常被錯(cuò)誤地歸類為兩種試次，而不是錯(cuò)誤地歸類為記住場景試次，因?yàn)槊婵椎母泄俦碚鞲愃朴谕瑫r(shí)記住面孔和場景，而不是只記住場景。類似地，如果活動(dòng)模式編碼了感覺表征，那么場景試次也應(yīng)該被不成比例地錯(cuò)歸為兩種試次。這項(xiàng)功能磁共振成像研究的結(jié)果表明，與紋狀體外皮層所表征的相比，PFC所表征的是更高階信息，如任務(wù)規(guī)則、目標(biāo)或類別的抽象表征，而紋狀體外皮層所表征的是刺激特異性(如識別特定面孔)。這些經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與Fuster（1990）和Miller& Cohen（2001）提出的理論概念一致，即任務(wù)偶然性和規(guī)則的綜合表征在PFC中得到維護(hù)，這對于調(diào)解時(shí)間上分離但相互依賴的事件至關(guān)重要。PFC功能的這種表征不太強(qiáng)調(diào)存儲作用，而是強(qiáng)調(diào)它在提供對所有其他實(shí)際存儲信息的大腦區(qū)域的自上而下控制方面的作用（D’Esposito et al. 2000，Petrides 2000，Smith&Jonides 1999）。因此，PFC中的持續(xù)活動(dòng)并不反映表征本身的存儲；它反映了高級表征的維持，這些表征提供自上而下的信號來引導(dǎo)大腦網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)流動(dòng)（另見Sreenivasan等人（2014）和Postle（2014）。下一節(jié)將進(jìn)一步探討這一觀點(diǎn)。然而，我們必須首先考慮在PFC中表征的關(guān)于PFC的功能組織作為整體的信息的本質(zhì)。PFC是一個(gè)異質(zhì)性區(qū)域，覆蓋了大腦的大量區(qū)域。在本文中，我們關(guān)注的是外側(cè)PFC，而不是內(nèi)側(cè)或眶PFC區(qū)域，它們可能具有不同但互補(bǔ)的功能（Cummings 1993）。任何對PFC中存儲和維護(hù)的表征的本質(zhì)理解都必須考慮到細(xì)胞組成和連接的子區(qū)域差異。大量的神經(jīng)心理學(xué)、生理學(xué)和影像學(xué)研究支持這樣一個(gè)普遍觀點(diǎn)，即當(dāng)一個(gè)人在額葉皮層的吻側(cè)（前）移動(dòng)時(shí)，從前運(yùn)動(dòng)皮層到額極皮層，這些區(qū)域?qū)π袆?dòng)規(guī)劃和選擇的加工要求是更高階的（Burgess et al. 2007， Christoff et al. 2003， Ramnani & Owen 2004）。Koechlin及其同事（2003年）提出了一個(gè)假設(shè)，即額葉皮層在行動(dòng)過程中可能以分層的方式從吻側(cè)到尾側(cè)組織（參見Fuster 2004，類似觀點(diǎn)的早期綜述）。具體而言，Koechlin和 Summerfield（2007）提出了一個(gè)級聯(lián)模型，該模型預(yù)測替代動(dòng)作表征之間的競爭是基于具有各種背景信息（稱為控制信號）的交互信息來解決的。Koechlin及其同事（2003年）在健康被試中使用功能磁共振成像（fMRI）發(fā)現(xiàn)，由于選擇反應(yīng)所需的背景信息在更長的時(shí)間間隔內(nèi)更抽象、更相關(guān)，因此功能磁共振成像（fMRI）的激活從額葉皮層的尾側(cè)區(qū)域進(jìn)展到更多的吻側(cè)區(qū)域，從而為他們的預(yù)測提供了支持。在一項(xiàng)功能磁共振成像研究(Badre & D’esposito 2007)中，我們旨在復(fù)制和擴(kuò)展Koechlin關(guān)于沿額葉皮層的吻側(cè)-尾側(cè)功能梯度的發(fā)現(xiàn)。我們專門測試了另一種想法，即這個(gè)梯度來自于一個(gè)根據(jù)待選擇表征的抽象程度進(jìn)行排序的層次結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)研究中，健康被試執(zhí)行了一項(xiàng)反應(yīng)選擇任務(wù)，該任務(wù)要求在整個(gè)行為條件下做出更抽象的行動(dòng)決定。任務(wù)執(zhí)行的最低層次被稱為反應(yīng)任務(wù)，在這個(gè)任務(wù)中要求被試將一個(gè)彩色方塊對應(yīng)一個(gè)特定的手指反應(yīng)。在下一個(gè)層次，即特征任務(wù)，每個(gè)彩色方塊對應(yīng)一個(gè)特定的形狀，然后如果彩色方塊與形狀匹配，被試選擇他們的動(dòng)作反應(yīng)。因此，在這個(gè)層次上，單憑顏色的信息不足以決定正確的反應(yīng)。物體的形狀必須與顏色相匹配才能做出反應(yīng)。與反應(yīng)任務(wù)的唯一區(qū)別是，顏色現(xiàn)在映射到相關(guān)的形狀，提示正確的反應(yīng)，而不是直接映射到正確的反應(yīng)。因此，行動(dòng)決策必須基于更抽象的行動(dòng)表征。下一個(gè)層次，即維度任務(wù)中，被試學(xué)習(xí)到特定顏色對應(yīng)于物體的特定維度（形狀或方向），要求他們沿著一個(gè)特定維度比較兩個(gè)物體，并通過動(dòng)作反應(yīng)指示物體是否僅在相關(guān)維度上匹配或不匹配。被試根據(jù)物體外圍的正方形框顏色知道哪個(gè)維度是相關(guān)的。因此，映射的設(shè)計(jì)與特征和反應(yīng)任務(wù)的設(shè)計(jì)是相同的，只是它現(xiàn)在是顏色映射到維度，而不是特征或反應(yīng)。同樣，行動(dòng)決策必須基于更抽象的表征。最后一個(gè)也是最高層次的是背景任務(wù)，在此期間，被試執(zhí)行維度任務(wù)，但通過改變顏色到維度映射集的頻率來操縱沖突。在這種情況下，需要時(shí)間背景來選擇合適的背景（顏色線索）來確定維度。因此，相關(guān)背景的選擇更加抽象。在最低層次的任務(wù)(反應(yīng)任務(wù))中，激活出現(xiàn)在前運(yùn)動(dòng)皮層的后額葉皮層區(qū)域（區(qū)域6）。在下一更高層次任務(wù)，即特征任務(wù)中，激活發(fā)生在前-前運(yùn)動(dòng)皮層的前部（區(qū)域8）;在下一更高層次任務(wù)(維度任務(wù))中，發(fā)現(xiàn)在額下溝(IFS) 45區(qū)和9/46區(qū)邊界的這個(gè)位置前部有激活。最后，在最高層次的任務(wù)，即背景任務(wù)上，發(fā)現(xiàn)在額極皮層的最前面的位置或區(qū)域10有激活。因此，隨著動(dòng)作表征變得更加抽象，額葉皮層內(nèi)的激活會(huì)向前移動(dòng)(或向吻側(cè)移動(dòng))。這種從前額葉皮層后部到前部的激活進(jìn)程，并不僅僅是因?yàn)槿蝿?wù)變得更復(fù)雜或更難;他們發(fā)現(xiàn)，參與每項(xiàng)任務(wù)的特定區(qū)域的激活程度隨著難度的增加而增加，但并沒有改變其在額葉皮層中的位置。然而，Koechlin等人(2003)強(qiáng)調(diào)了區(qū)分額葉皮層區(qū)域的時(shí)間和情境因素，這些結(jié)果反而表明，PFC區(qū)域可能是由抽象水平區(qū)分的，在這個(gè)抽象水平上，行動(dòng)表征必須選擇而不是競爭。因此，人類功能磁共振成像研究支持這樣一種觀點(diǎn)，即額葉外側(cè)皮質(zhì)的前后軸存在一個(gè)功能梯度。在內(nèi)側(cè)PFC軸上，與認(rèn)知控制的動(dòng)機(jī)方面相關(guān)的類似功能梯度也已確定（Kouneiher et al.2009，Venkatraman et al.2009），并觀察到內(nèi)側(cè)和外側(cè)PFC之間的功能連接（Blumenfeld et al.2013）。讀者應(yīng)該注意到，關(guān)于PFC中觀察到的功能梯度的具體細(xì)節(jié)，尚未達(dá)成共識（參見Badre 2008綜述）。然而，側(cè)向PFC組織的新興模式的一個(gè)重要組成部分是層級的存在。額葉皮層內(nèi)的加工層次要求前部對后部加工的影響大于后部對前部的影響。如何獲得支持這一主張的直接證據(jù)？額葉的吻尾組織可以從其解剖結(jié)構(gòu)中推導(dǎo)出來。如果存在層級安排，PFC子區(qū)域之間的解剖連接性可能會(huì)顯示一種模式，即最高層次的區(qū)域10將投射回到最低層次的區(qū)域6。然而，6區(qū)不一定會(huì)向10區(qū)延伸。這種模式似乎確實(shí)存在，至少在恒河猴中是如此（Badre&D'Esposito 2009）。Barbas和Pandya（1991）也指出，不同的額葉區(qū)域在柱狀水平上有不同程度的分化。分化程度越高的區(qū)域越分層（例如，細(xì)胞聚集成皮質(zhì)層）。具有發(fā)達(dá)層流分化的尾部區(qū)域（如8區(qū)或46區(qū)）與大多數(shù)鄰近區(qū)域的連接受限。相反，喙部區(qū)域（如10區(qū)）與其他區(qū)域有廣泛連接。在這個(gè)方案中，分化程度較低的區(qū)域，如吻側(cè)PFC（區(qū)域10、9、46）中的區(qū)域，具有更多的擴(kuò)散投影，處于構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)頂部的良好位置。相比之下，更分化的區(qū)域，如尾側(cè)PFC（區(qū)域9/46，8）有更多的內(nèi)在連接，并且在層次結(jié)構(gòu)中處于較低的位置。關(guān)于側(cè)PFC內(nèi)層次結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步間接證據(jù)來自功能性神經(jīng)成像研究，這些研究檢查了有效的連接性或一個(gè)大腦區(qū)域可能對另一個(gè)大腦區(qū)域產(chǎn)生的因果影響。例如，在上述Koechlin等人（2003）的研究中，成像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)方程建模表明，喙側(cè)額葉區(qū)域的激活導(dǎo)致尾側(cè)額葉區(qū)域激活的差異，但反過來不成立。側(cè)PFC中存在分層組織的直接證據(jù)需要病變數(shù)據(jù)。也就是說，額葉內(nèi)的控制加工從喙側(cè)到尾側(cè)的流動(dòng)預(yù)測，在需要高階控制的任務(wù)上，即使在高階處理器完好無損的情況下，低階處理器受到干擾，其表現(xiàn)也會(huì)受到損害。然而，當(dāng)高階控制處理器中斷時(shí)，只需要低階控制的任務(wù)表現(xiàn)應(yīng)該不會(huì)受到影響。這種假設(shè)的不對稱缺陷模式不能用神經(jīng)生理學(xué)方法直接測試，如功能磁共振成像、腦電圖和單細(xì)胞記錄。相反，它需要一種損傷方法，這種方法會(huì)導(dǎo)致特定處理器沿著擬議的層次梯度發(fā)生孤立的中斷。此外，利用我們在fMRI研究中實(shí)施的認(rèn)知任務(wù)，我們對局灶性額葉損傷患者進(jìn)行了一項(xiàng)行為研究，以驗(yàn)證額葉皮層具有層次結(jié)構(gòu)的假設(shè)(Badre et al. 2009)。具體來說，我們測試了前額葉前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)域(8區(qū))的損傷是否會(huì)影響特征任務(wù)、維度任務(wù)和背景任務(wù)的表現(xiàn)，但不會(huì)影響反應(yīng)任務(wù)的表現(xiàn)。其原因是，層次結(jié)構(gòu)的第二層中斷應(yīng)該干擾更高層次的加工(特性、維度和背景任務(wù)在第三和第四層)，但不會(huì)干擾較低層次的加工(反應(yīng)任務(wù)在第一層)。相比之下，更前的IFS病變(區(qū)域45;9/46)會(huì)損壞第三層處理器，應(yīng)該會(huì)損害維度任務(wù)(第三層)和背景任務(wù)(第四層)的表現(xiàn)，但不會(huì)損害特征任務(wù)(第二層)或反應(yīng)任務(wù)(第一層)的性能。這種模式在局灶性額葉病變患者上的行為結(jié)果將是額葉功能分級組織的直接證據(jù)。我們預(yù)測，由于層次結(jié)構(gòu)所預(yù)測的非對稱依賴性，無論患者病變部位如何，高水平任務(wù)中的缺陷比低水平任務(wù)中的缺陷更有可能在患者中發(fā)生。因此，任何水平的損害均應(yīng)增加所有較高水平的損害的可能性，但不應(yīng)增加較低水平的損害的可能性。我們觀察到，在所有患者中，任何任務(wù)出現(xiàn)缺陷的概率為62%。然而，關(guān)鍵的是，在任何水平上出現(xiàn)缺陷的概率，如果在較低水平上出現(xiàn)缺陷，在患者中是91%，這是任何任務(wù)中出現(xiàn)缺陷的概率的顯著變化。相比之下，在更高水平的缺陷條件下，任何水平出現(xiàn)缺陷的概率只有76%，相對于任何任務(wù)出現(xiàn)缺陷的先驗(yàn)概率而言，這是一個(gè)微弱的變化。這種不對稱為不同任務(wù)級別的行為缺陷之間的層級依賴性以及群體數(shù)據(jù)的聚合提供了初始支持。最近，這種支持額葉層次結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)模式在另一組局灶性額葉病變患者中得到了復(fù)制(Azuar et al. 2014)。規(guī)則和目標(biāo)的層次化組織有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，規(guī)則和目標(biāo)的日益抽象的表征可以作為不同的自上而下的信號，可以偏向特定但不同的行動(dòng)路徑，而不是競爭對手，從而允許靈活的目標(biāo)導(dǎo)向行為。以打高爾夫球這個(gè)看似簡單的動(dòng)作為例。朝著正確的方向擊球需要旗子暫時(shí)停留在果嶺上——這是一個(gè)相對具體的表現(xiàn)。如果高爾夫球位于球道沙坑中，高爾夫球手必須暫時(shí)保留更抽象的高爾夫規(guī)則表征，即高爾夫球桿在擊球前不能觸碰沙子，否則將受到處罰。最后，在整個(gè)擊球過程中，高爾夫球手也可能受益于保持一種更抽象的認(rèn)知，即高爾夫提供了鍛煉，是一種健康的行為。通過這種方式，在PFC中同時(shí)維護(hù)分層組織的表征可以提供獨(dú)立的，但可能交互的自上而下的偏向信號，這可能(也可能不)導(dǎo)致一個(gè)成功的目標(biāo)導(dǎo)向行為。
自上而下的信號PFC長期以來一直被認(rèn)為是自上而下信號的源頭，可以影響大腦皮層和皮層下區(qū)域。一種類型的PFC自上而下信號可能向后部皮質(zhì)區(qū)域提供直接反饋，后者加工來自特定模態(tài)（例如視覺或聽覺）的感覺輸入。例如，當(dāng)一個(gè)人看著一群人的時(shí)候，呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的視覺場景可能包含大量的視覺信息。然而，如果有人在搜索朋友，就必須有某種自上而下的機(jī)制，允許人們屏蔽相關(guān)的視覺信息，同時(shí)增強(qiáng)與任務(wù)相關(guān)的信息，從而實(shí)現(xiàn)高效的搜索。通過這種方式，PFC對目標(biāo)(例如，找到你的朋友)的維護(hù)和表征就成為了偏向信號。正如Miller 和 Cohen(2001)所述，“認(rèn)知控制源于前額葉皮層活動(dòng)模式的積極維持，這種活動(dòng)模式代表目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方式?！彼鼈兿蚱渌竽X結(jié)構(gòu)提供偏置信號，這些偏置信號的凈效應(yīng)是引導(dǎo)神經(jīng)通路的活動(dòng)，這些神經(jīng)通路建立了執(zhí)行特定任務(wù)所需的輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的適當(dāng)映射”(第167頁)。正如本文早些時(shí)候所述，由于PFC在多個(gè)抽象層次上表征規(guī)則和目標(biāo)，它是影響接收其解剖投射的下游腦區(qū)加工的理想位置。我們利用人類的功能磁共振成像和ERP來研究這種自上而下的機(jī)制（Gazzaley et al. 2005）。在這項(xiàng)研究中，工作記憶任務(wù)中被試觀察以隨機(jī)順序呈現(xiàn)的兩張臉和兩個(gè)自然場景的序列。結(jié)果表明，至少存在兩種類型的自上而下信號：一種用于增強(qiáng)任務(wù)相關(guān)信息，另一種用于抑制任務(wù)相關(guān)信息。通過增強(qiáng)和抑制活動(dòng)幅度和加工速度來產(chǎn)生對比，自上而下的信號會(huì)影響競爭系統(tǒng)中成功表征相關(guān)信息的可能性。用功能磁共振成像或任何類型的神經(jīng)生理學(xué)方法應(yīng)用于動(dòng)物或人類，沒有直接的方法來確定自上而下信號的來源。因此，為了獲得PFC是調(diào)節(jié)視覺聯(lián)合皮層的自上而下信號來源的證據(jù)，必須在PFC功能被破壞后檢查視覺聯(lián)合皮層的生理反應(yīng)。Fuster及其同事（1985年）首次嘗試了這種方法，他們在延遲匹配樣本顏色任務(wù)期間，通過去激活下顳葉皮質(zhì)神經(jīng)元的尖峰活動(dòng)，研究了猴子PFC失活效應(yīng)。在此任務(wù)的延遲期間，當(dāng)觀察到顳下皮層神經(jīng)元持續(xù)的刺激特異性活動(dòng)時(shí)，PFC失活導(dǎo)致神經(jīng)元的峰值活動(dòng)減弱，刺激特異性喪失。這兩種顳下皮層活動(dòng)的改變強(qiáng)烈暗示PFC是自上而下信號的來源，在沒有自下而上感覺活動(dòng)的情況下，維持強(qiáng)的感覺表征是必要的。了解PFC認(rèn)知功能的關(guān)鍵可能在于它與其他區(qū)域的連接(Yeterian et al. 2012)。來自特定PFC區(qū)域的任何自上而下的信號，代表著特定的目標(biāo)，可能會(huì)產(chǎn)生不同的影響和行為后果，這取決于接收這些信號的大腦區(qū)域。例如，PFC自上而下的信號可以增強(qiáng)紋外皮層相關(guān)感覺刺激的內(nèi)部表征或前運(yùn)動(dòng)皮層的預(yù)期運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。多個(gè)自上而下的信號可能以一種并行的方式參與任何目標(biāo)導(dǎo)向行為。此外，研究表明，其他皮層區(qū)域，如頂葉皮層和海馬體，也在認(rèn)知過程中提供自上而下的信號(Eichenbaum 2013，Ruff 2013)。對多個(gè)高階腦區(qū)影響低階腦區(qū)的機(jī)制的思考突顯了人類大腦的巨大復(fù)雜性，以及我們必須走多遠(yuǎn)才能理解它。
長程連接工作記憶的另一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制是分散的大腦區(qū)域之間的活動(dòng)同步。由于現(xiàn)有方法在動(dòng)物和人類身上都是有限的，迄今為止很少有研究能夠評估神經(jīng)元和大腦區(qū)域是否以及如何交流和相互作用來支持工作記憶。我們開發(fā)了一種多變量方法，專門用于表征事件相關(guān)的fMRI數(shù)據(jù)中的功能連接，該方法可以測量認(rèn)知任務(wù)的區(qū)域間相關(guān)性(Rissman et al. 2004)。使用這種方法，我們特別尋求特征網(wǎng)絡(luò)的大腦區(qū)域與維持一個(gè)短暫的延遲間隔的面孔刺激表征。我們發(fā)現(xiàn)在任務(wù)延遲期間，F(xiàn)FA（fusiform face area，梭狀回面孔區(qū)）、PFC和頂葉皮層之間存在顯著的功能連接，這支持了高階聯(lián)合皮層與后部感覺區(qū)域相互作用以促進(jìn)感官知覺主動(dòng)維持的觀點(diǎn)。我們還發(fā)現(xiàn)，在沒有視覺輸入的情況下，與保持單詞有關(guān)的后語言相關(guān)區(qū)域也表現(xiàn)出與PFC增強(qiáng)的功能連接(Fiebach et al. 2006)。分布式同步活動(dòng)可能通過循環(huán)回路中的突觸反射或神經(jīng)元群體之間的同步振蕩發(fā)生。在人類中，腦電圖、腦磁圖（MEG）和ECoG記錄被用來研究哪些特定的振蕩頻率可能與工作記憶有關(guān)。在工作記憶任務(wù)期間，θ（4–7 Hz）、α（8–13 Hz）、β（13–30 Hz）和γ（30–200 Hz）范圍內(nèi)的低頻和高頻活動(dòng)受到調(diào)制。Roux和Uhlhaas（2014）提出了每個(gè)頻帶的不同功能。他們提出，γ波段振蕩與工作記憶信息的主動(dòng)維持有關(guān)，θ波段振蕩與工作記憶項(xiàng)目的時(shí)間組織有關(guān)，α波段振蕩與任務(wù)無關(guān)信息的抑制有關(guān)。這些概念是基于一些研究，這些研究表明，神經(jīng)振蕩的振幅調(diào)制可能來自與工作記憶有關(guān)的特定大腦區(qū)域。例如，在記錄人類EEG的延遲匹配樣本任務(wù)期間，研究人員觀察到，在整個(gè)保持期內(nèi)，枕部γ和額葉β振蕩持續(xù)存在。此外，隨著延遲間隔的延長，這些振蕩隨著任務(wù)表現(xiàn)的降低而減少（Tallon-Baudry et al. 1999）。在最近的一項(xiàng)研究中，Anderson等人（2014年）表明，α頻段（8–12 Hz）的功率空間分布與存儲在視覺工作記憶中的表征內(nèi)容和質(zhì)量有關(guān)。這些實(shí)證研究結(jié)果支持了神經(jīng)振蕩對工作記憶維持過程至關(guān)重要的觀點(diǎn)。大腦區(qū)域之間這些振蕩的長程同步可能也在工作記憶功能中起著重要作用（Crespo-Garcia et al. 2013，Sauseng et al. 2005）。例如，在一項(xiàng)人類MEG研究中，在與樣本視覺工作記憶任務(wù)延遲匹配的保持期內(nèi)，觀察到額葉頂葉和視覺區(qū)之間α、β和γ帶的同步振蕩。此外，這些被觀察到的同步振蕩在任務(wù)的整個(gè)延遲期內(nèi)持續(xù)且穩(wěn)定，與記憶負(fù)荷有關(guān)，并與個(gè)體的工作記憶容量相關(guān)（Palva et al., 2010）。猴子的生理學(xué)數(shù)據(jù)也為工作記憶期間大腦區(qū)域之間的潛在溝通機(jī)制提供了相當(dāng)多的見解。例如，在一項(xiàng)研究中（Liebe et al., 2012），在執(zhí)行視覺延遲匹配樣本任務(wù)期間，研究了視覺區(qū)域V4和外側(cè)PFC之間的神經(jīng)相互作用。在任務(wù)的保持期內(nèi)，這兩個(gè)區(qū)域在不同頻率下表現(xiàn)出局部場電位的同步。此外，這兩個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元尖峰活動(dòng)與觀察到的θ振蕩相位鎖定。最重要的是，這種皮質(zhì)間鎖定的強(qiáng)度預(yù)測了動(dòng)物的表現(xiàn)，也就是說，隨后正確記憶的刺激和記憶表現(xiàn)的相位間的變異性更高。作者的結(jié)論是，這些發(fā)現(xiàn)反映了大腦各區(qū)域之間有效溝通的機(jī)制，這些區(qū)域參與了相關(guān)視覺信息的臨時(shí)保持，這一觀點(diǎn)得到了其他研究人員的證實(shí)（Fell & Axmacher 2011，F(xiàn)ries 2005）。最近一項(xiàng)有趣的發(fā)現(xiàn)表明，丘腦在調(diào)節(jié)跨皮質(zhì)區(qū)域的信息傳遞方面起著關(guān)鍵作用，至少在局部水平上是如此（Saalmann et al. 2012）。
腦干神經(jīng)調(diào)質(zhì)在許多認(rèn)知模型中，神經(jīng)調(diào)節(jié)劑如多巴胺、血清素、去甲腎上腺素或乙酰膽堿的作用是有限的，如果有作用的話。但是，如果考慮到腦干神經(jīng)調(diào)節(jié)神經(jīng)元向大腦的所有區(qū)域發(fā)送投射，那么它們對認(rèn)知功能的影響是毫無疑問的。來自動(dòng)物和人類研究的大量證據(jù)表明，額葉-紋狀體回路的多巴胺調(diào)節(jié)對工作記憶功能至關(guān)重要。人腦中的多巴胺能神經(jīng)元組織成幾個(gè)主要的子系統(tǒng)(中皮層、中邊緣和黑質(zhì)紋狀體)。中皮層和中邊緣多巴胺能系統(tǒng)起源于中腦腹側(cè)被蓋區(qū)，并投射到額葉皮質(zhì)、前扣帶、伏隔核以及杏仁核、海馬體和內(nèi)嗅皮質(zhì)等顳葉前部結(jié)構(gòu)。在大腦皮層中，額葉皮層中多巴胺的濃度最高。然而，海馬也有很強(qiáng)的多巴胺能輸入，來自動(dòng)物和人類研究的大量證據(jù)表明，多巴胺參與海馬依賴的長期記憶。多巴胺對工作記憶和PFC功能的重要性已在多個(gè)方面得到證實(shí)。多巴胺能系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是，它呈現(xiàn)出U形的劑量-反應(yīng)曲線：特定劑量的多巴胺能藥物在工作記憶任務(wù)中產(chǎn)生最佳表現(xiàn)。這表明，越多并不意味著越好; 相反，最佳的大腦多巴胺濃度對最佳的工作記憶功能是必要的。關(guān)于工作記憶功能，Braver和Cohen(1999)提出，持續(xù)性（tonic）多巴胺效應(yīng)可能會(huì)增加維持記憶表征的穩(wěn)定性，而階段性（phasic）多巴胺效應(yīng)可能是一種閾值信號，指示什么時(shí)候應(yīng)該編碼和保持新的記憶表征，或者什么時(shí)候應(yīng)該更新當(dāng)前保持的記憶表征。通過這種方式，兩種獨(dú)立的機(jī)制構(gòu)成了認(rèn)知靈活性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，但這兩種機(jī)制必須協(xié)同工作：多巴胺會(huì)促進(jìn)維持表征的穩(wěn)定性或靈活性，這取決于調(diào)節(jié)的神經(jīng)位點(diǎn)。具體來說，PFC中的多巴胺受體刺激可以通過增加抵抗干擾來促進(jìn)穩(wěn)定性(Durstewitz et al. 2000b)。相反，紋狀體中的多巴胺受體刺激會(huì)通過允許新的相關(guān)表征的更新來提高靈活性。在現(xiàn)實(shí)世界中，對認(rèn)知靈活性和穩(wěn)定性的要求是相互的：如果我們太過靈活，我們可能會(huì)分心；如果我們太過穩(wěn)定，我們就會(huì)變得呆板，對新信息反應(yīng)遲鈍。我們在人類藥理功能磁共振成像研究中測試了工作記憶的多巴胺能模型。這證實(shí)了工作記憶的保持和更新過程是由PFC和紋狀體的不同多巴胺能刺激所調(diào)節(jié)的假說。這一發(fā)現(xiàn)表明，PFC中高水平的多巴胺（紋狀體中較低水平）優(yōu)化了任務(wù)相關(guān)表征的保持，而紋狀體中高水平的多巴胺（PFC中較低水平）優(yōu)化了信息的靈活更新。工作記憶表征的穩(wěn)定性和靈活性之間的功能對立很好地映射到PFC和紋狀體多巴胺之間的神經(jīng)化學(xué)相互作用：PFC多巴胺的增加和減少分別導(dǎo)致紋狀體多巴胺的減少和增加。
結(jié)論在過去的50年里，工作記憶這個(gè)概念激發(fā)了許多領(lǐng)域的研究，包括認(rèn)知、神經(jīng)科學(xué)和臨床。從這半個(gè)世紀(jì)的研究中積累的結(jié)果已經(jīng)加強(qiáng)了工作記憶在行為控制中的中心地位，這一點(diǎn)在20世紀(jì)60年代、70年代和80年代的開創(chuàng)性著作中得到了明確闡述。在過去的十年里，我們在理解工作記憶的基礎(chǔ)機(jī)制方面取得了許多令人興奮的進(jìn)展，這些必然促使工作記憶模型的不斷更新。然而，在更廣泛的層面上，我們可以認(rèn)為，我們當(dāng)前的神經(jīng)系統(tǒng)水平模型是由Baddeley和Hitch（1974）多成分模型的一個(gè)核心特征所預(yù)示的：一方面是刺激表征，另一方面是通過這些表征控制行為之間的重要區(qū)別。Baddeley一直聲稱，他對多成分模型的中央執(zhí)行的解釋類似于Shallice的監(jiān)督注意系統(tǒng)，一種控制系統(tǒng)，在任何意義上都不是專門用于工作記憶操作，而是一種可以使用和/或操縱工作記憶存儲內(nèi)容以更有效地指導(dǎo)行為的控制系統(tǒng)。額葉前部、基底神經(jīng)節(jié)、丘腦和腦干系統(tǒng)可以被解釋為中央執(zhí)行的神經(jīng)基質(zhì)。我們認(rèn)為，一些系統(tǒng)——以及20世紀(jì)80年代至2000年代的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究——的根源在于，將PFC活動(dòng)錯(cuò)誤地歸因于多成分模型中一個(gè)存儲緩沖區(qū)的功能，而不是中央執(zhí)行。我們在這里回顧的研究表明，PFC（及相關(guān)系統(tǒng)）的功能過于靈活，操作過于抽象，不能簡單地理解為執(zhí)行緩沖作用。在過去的十年里，我們對靈長類大腦緩沖功能的理解也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，這一功能是通過隨機(jī)存取存儲器(RAM)來實(shí)現(xiàn)的。RAM是一種回路，它在物理上不同于硬盤驅(qū)動(dòng)器存儲，是專門用來實(shí)現(xiàn)這一功能的。與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的類比可能至少在一定程度上影響了之前對生物工作記憶的思考。然而，最近的研究證實(shí)，靈長類動(dòng)物的大腦中沒有專門的RAM回路。相反，在工作記憶中保存信息的操作與在非記憶環(huán)境中加工信息的操作發(fā)生在同一回路中。在本文中，我們強(qiáng)調(diào)了工作記憶對認(rèn)知控制的重要性。我們相信，任何對工作記憶基本機(jī)制的理解，都將直接導(dǎo)致對人類認(rèn)知最復(fù)雜方面的進(jìn)一步理解。在試圖揭示支持認(rèn)知控制所必需的組成過程的神經(jīng)機(jī)制方面，額葉皮層仍然是一個(gè)主要的重點(diǎn)區(qū)域。額葉皮層是分層組織的，并提供關(guān)鍵的偏向信號，塑造目標(biāo)導(dǎo)向行為。關(guān)于這些信號的性質(zhì)，以及額葉皮層保存相關(guān)信息和與大腦其他區(qū)域溝通的機(jī)制，還有很多工作要做。此外，上行腦干神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如多巴胺能系統(tǒng)，可能影響上述大多數(shù)認(rèn)知過程。綜合考慮所有這些機(jī)制，而不是孤立地考慮，應(yīng)該能更清楚地了解認(rèn)知控制的神經(jīng)基礎(chǔ)。 要點(diǎn)：
工作記憶多成分模型(Baddeley & Hitch 1974)一直秉持的原則是，信息的短期保存(也稱為工作記憶存儲)和如何使用這些信息來指導(dǎo)行為的控制是由不同的過程所支持的。但是，關(guān)于前者，以前專門緩沖器的想法已被基于狀態(tài)的模型所取代。
盡管基于狀態(tài)的工作記憶存儲模型經(jīng)常被歸類為激活的長期記憶模型或感覺運(yùn)動(dòng)募集模型，所有的研究都基于這樣一個(gè)觀點(diǎn)：心理表征的注意選擇將它們帶入工作記憶，注意優(yōu)先化的結(jié)果解釋了諸如容量限制、來自不再相關(guān)項(xiàng)目的前攝干擾等屬性。
最近的研究將MVPA應(yīng)用于fMRI和EEG數(shù)據(jù)，為基于狀態(tài)的工作記憶存儲模型提供了令人信服的神經(jīng)證據(jù)。
一些來自計(jì)算模型、細(xì)胞外電生理學(xué)、功能磁共振成像和腦電圖的最新發(fā)現(xiàn)表明，工作記憶存儲可能依賴于突觸權(quán)重短暫的重組，而不是持續(xù)的、升高的活動(dòng)。
與后皮層的特征和刺激特異性表征相比，PFC可能代表更高階的信息，如任務(wù)規(guī)則、目標(biāo)或類別的抽象表征。此外，工作記憶功能的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制是PFC活動(dòng)與大腦其他區(qū)域的活動(dòng)同步。
PFC功能組織的一個(gè)維度是引導(dǎo)行為的規(guī)則和目標(biāo)的抽象層次的尾端到喙端梯度。
從PFC發(fā)出的自上而下的控制信號可能至少有兩種形式：一種是通過增強(qiáng)與任務(wù)相關(guān)的信息或抑制與任務(wù)無關(guān)的信息來調(diào)節(jié)增益的信號，另一種是可以調(diào)節(jié)后皮層區(qū)域信息的選擇性信號。
多巴胺在工作記憶功能中起著關(guān)鍵作用。中腦多巴胺在前額葉和紋狀體回路中的復(fù)雜相互作用控制著認(rèn)知靈活性和穩(wěn)定性之間的平衡。展望：
FoA（關(guān)注焦點(diǎn)）是如何組織的？它是否對一件物品有嚴(yán)格的容量限制，或者可以包含多件物品？FoA中是否存在多個(gè)不同的水平（或工作記憶中的激活水平），或者單一FoA之外的一切都處于相同的LTM狀態(tài)？
哪一類模型能更好地解釋STM中的容量限制：插槽模型、單資源模型、兩者的混合模型，還是一些尚未描述的替代模型?
因?yàn)樽罱腗VPA研究已經(jīng)將工作記憶存儲與持續(xù)的、升高的延遲期活動(dòng)分離開來，后者又有什么作用呢?
是否有可能，正如最近的實(shí)驗(yàn)所表明的那樣，所有可以用MVPA解碼的延遲期活動(dòng)，甚至是低于單變量統(tǒng)計(jì)閾值的活動(dòng)，都對應(yīng)于FoA，而不是信息本身的存儲？如果是這樣，后者是通過突觸權(quán)重的短暫重組實(shí)現(xiàn)的嗎？
PFC神經(jīng)元群的高維性是該區(qū)域獨(dú)有的特性，還是該特性也是其他大腦區(qū)域的特征？
特定頻率的振蕩[例如，theta (4 - 7hz)， alpha (8 - 13hz)和gamma (30 - 200hz)]對工作記憶有什么不同的功能?
多巴胺在工作記憶門控信號的輸入和輸出中起著相似的作用嗎？
除了多巴胺，其他神經(jīng)遞質(zhì)和激素在工作記憶功能中起什么作用？
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