学术快报 | 罗欢课题组揭示人脑工作记忆中的层级折叠机制
来源：北大脑科学
2024年11月7日，北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所的罗欢课题组与浙江大学丁鼐课题组的合作研究成果，题为“Two-dimensional neural geometry underpins hierarchical organization of sequence in human working memory”，正式在《Nature Human Behaviour》上发表。这项研究揭示了人脑工作记忆系统中的层级折叠重组机制。
人类的记忆系统并非简单的硬盘或缓存，而是一个具有不精确性和构建性的复杂系统。就像整理衣橱一样，我们的工作记忆会对外界信息进行重新组织，以更高效地利用有限的存储容量。例如，一串数字在记忆中会被分成多个组块，每个组块又可以包含更小的子组块。这种层级化的组织方式可以有效地压缩、存储和提取信息，从而提升记忆的泛化能力、容错性和组合性。
课题组设计了具有自然层级特性的字词序列，让人类受试保持在工作记忆中，通过脑电图、脑磁图记录人脑活动，探究该序列在工作记忆中的神经几何表征模式。研究发现，该一维序列并不是以一维链条或一维组块的形式在工作记忆中存储，而是被重组织到一个二维几何空间上。该平面包含两个近乎正交的表征轴，分别对应整体位置（序列中的组块序号）和局部位置（组块中的元素序号）。简而言之，一维序列依照层级化组织被“折叠”存储在二维表征空间中。这种二维几何模式不仅在多种实验材料和多种实验任务的脑活动中一致出现，也反映在人类的行为，即记忆的错误模式分布上。进一步，神经活动中的层级模式强度和人类行为中的层级特性相互关联。
层级序列在工作记忆中的折叠存储
从更广泛的角度来看，层级化折叠是一种高效的信息组织方式，例如自然界中的蛋白质折叠、社会群体的层级结构等等。层级结构也被认为广泛存在于人类的各种认知过程中，包括语言、音乐、运动、决策和执行控制等。本研究首次在人脑的工作记忆中发现了层级化折叠的全新神经机制及其对记忆行为的重要作用，为脑认知和类脑人工智能等领域提供了“结构化”的重要启发和全新思路。
折扇比喻——人脑工作记忆对序列信息的层级化折叠
北京大学心理与认知科学学院博雅博士后范莹为论文的第一作者，北京大学罗欢研究员、浙江大学丁鼐研究员为本文共同通讯作者，北京大学王牧之博士、方方教授为本研究做出重要贡献。研究获得国家科学和技术创新2030重大项目、国家自然科学基金委重点项目、创新研究群体项目、中国博士后科学基金项目资助。该研究是实验室近年来序列工作记忆研究的开创性拓展 (eLife, 2018, 2021, 2024; Journal of Neuroscience, 2021; Progress in Neurobiology, 2021; Cerebral Cortex, 2023)。
Fan, Y., Wang, M., Fang, F., Ding, N.*, Luo, H.* (2024) 2-D Neural Geometry Underpins Hierarchical Organization of Sequence in Human Working Memory. Nature Human Behaviour. DOI: 10.1038/s41562-024-02047-8
参考文献
Fan, Y., Han, Q., Guo, S., & Luo, H. (2021). Distinct neural representations of content and ordinal structure in auditory sequence memory. Journal of Neuroscience, 41(29), 6290-6303.
Fan, Y., & Luo, H. (2023). Reactivating ordinal position information from auditory sequence memory in human brains. Cerebral Cortex, 33(10), 5924-5936.
Huang, Q., Jia, J., Han, Q., & Luo, H. (2018). Fast-backward replay of sequentially memorized items in humans. ELife, 7, e35164.
Huang, Q., Zhang, H., & Luo, H. (2021). Sequence structure organizes items in varied latent states of working memory neural network. ELife, 10, e67589.
Huang, Q., & Luo, H. (2024). Shared structure facilitates working memory of multiple sequences. ELife, 12, RP93158.
Li, J., Huang, Q., Han, Q., Mi, Y., & Luo, H. (2021). Temporally coherent perturbation of neural dynamics during retention alters human multi-item working memory. Progress in Neurobiology, 201, 102023.
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41562-024-02047-8
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22. 【CMU博士论文】持续改进机器人的探索，243页
23. 中国信通院：量子计算发展态势研究报告2024年58页
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25. 【新书】通用人工智能，144页
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29. 人工智能科学家：迈向全自动开放式科学发现
30. 欧盟：石墨烯旗舰项目十年评估报告
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33. 联合国贸易与发展会议：2024世界投资报告
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35. 兰德：2024评估人工智能基础模型市场的自然垄断条件
36. 经合组织：2015-2022 年生物多样性与发展融资
37. ITIF：中国半导体创新能力研究报告
38. 英国皇家学会：数学未来计划， 数学和数据教育的新方法研究报告
39. 欧盟：10年人类大脑计划创新评估报告
40. GLG格理集团：2024深度解读半导体行业关键趋势和专家洞见报告15页
41. 华为智能世界2030报告2024版741页
42. 联合国：2024为人类治理人工智能最终报告
43. 达信Marsh：2024全球科技产业风险研究报告英文版27页
44. 鼎帷咨询：2024英伟达人工智能发展战略研究报告149页
45. 【博士论文】大语言模型的测试与评价：准确性、无害性和公平性，223页pdf
46. 麦肯锡：2024世界能源产业展望
47. 世界经济论坛《太空：全球经济增长的 1.8 万亿美元机遇》
48. 世界经济论坛：世界“技术先锋”名单100家公司名单
49. 世界经济论坛：2024绘制地球观测的未来：气候情报技术创新
50. 核聚变技术作为清洁能源供应替代来源的全球发展和准备情况
51. 大模型生成的idea新颖性与人类对比研究报告（94页）
52. IQM ：2024 年量子状况报告
53. 2024十大新兴技术研究报告
54. 2024地球观测 (EO) 洞察带来的全球价值（58页）
55. 2023-2024世界基础设施监测报告
56. 世界银行：2024世界发展报告，中等收入陷阱
57. 2024国际前沿人工智能安全科学报告132页
58. 斯坦福大学2024人工智能指数报告
59. 美国总统科学技术顾问委员会：《利用人工智能应对全球挑战》63页报告
60. 柳叶刀行星健康：2024地球系统安全与健康评估报告
61. 中国未来50年产业发展趋势白皮书III
62. OpenAI o1系列产品原理与安全最新研究报告（80页）
63. 国家互联网信息办公室：国家信息化发展报告2023年110页
64. 埃森哲：2024年风险研究报告-重大颠覆需要持续重塑英文版39页
65. 36氪研究院：2024年中国城市低空经济发展指数报告41页
66. 美国信息技术与创新基金会：《中国在量子领域的创新能力如何》研究报告
67. 理解深度学习500页报告
68. 鼎帷咨询：2024全球人工智能发展研究报告44页
69. 【伯克利博士论文】大型语言模型迈向能够学习和发现一切的机器
70. 《量子技术：前景、危险和可能性》45页报告
71. 英国皇家学会报告：人工智能在科学、技术、工程和数学领域的应用
72. 未来今日研究所：2024世界技趋势报告（980页）
73. 面向大规模脉冲神经网络：全面综述与未来方向
74. 大模型+知识库市场全景报告
75. 《太空力量的理论基础：从经济学到不对称战争》2024最新94页报告
76. CBInsights：2024年第二季度全球企业风险投资状况报告英文版124页
77. 英国科学院：数据管理和使用：21 世纪的治理（2024），99页
78. 兰德智库：展望2045 一项前瞻性研究探讨未来 20 年全球趋势的影响
79. 世界知识产权组织：2024年世界知识产权报告：让创新政策促进发展
80. 全球灾难风险研究所：评估大型语言模型接管灾难的风险
81. 牛津马丁学院：人工智能风险国际科学评估的未来
82. 联合国贸易和发展署：2024世界投资报告
83. 兰德公司：人工智能军事应用的新风险和机遇
84. 英国皇家学会：AI时代的科学发展趋势研究报告
85. 百页风电行业研究方法论：从中国到世界从陆地到海洋-240902，98页
86. 中国信通院发布《大模型落地路线图研究报告（2024年）》
87. 星河智源：2024年无人驾驶技术全景报告35页
88. 星河智源：2024年光刻机技术全景报告37页
89. 人形机器人行业研究方法论：特斯拉领衔人形机器人的从1到N
90. 兰德：展望2045一项关于未来20年全球趋势影响的前瞻性研究报告英文版45页
91. 《军事创新与气候挑战》2024最新152页报告
92. 麦肯锡：2024困难点：驾驭能源转型的物理现实（196页）
93. 《麻省理工科技评论》万字长文：什么是人工智能？
94. 软件与服务行业：从特斯拉智能驾驶看人形机器人发展路径
95. 中国信通院：中国数字经济发展研究报告2024年82页
96. CB Insights：2024年第二季度全球风险投资状况报告 244页
97. 脑启发的人工智能：全面综述
98. 二十年关键技术跟踪报告
99. 中国首部城市大脑系列建设标准（8项）汇编
100. 麦肯锡2024技术趋势展望报告100页
