撰文丨東華君（神經(jīng)生物學(xué)博士，NIH博士后）

責(zé)編丨qingning

排版丨星琪

?

本文是作者對其剛發(fā)表的論文的解讀。該項研究已于2022年1月10日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications），題目為：Prefrontal cortical plasticity during learning of cognitive tasks。

?

正如前文（腦力訓(xùn)練與“用進廢退”的大腦https://mp.weixin.qq.com/s/L8BUvv5gIEl_odMrprFoEg）所述，以往的研究表明行為訓(xùn)練的效果能在同種認知能力類型的不同任務(wù)間遷移。我們知道，行為層面上的輕微改變往往涉及廣泛而顯著的神經(jīng)元活動的變化。雖然學(xué)界關(guān)于行為訓(xùn)練效果是否能夠在任務(wù)間遷移的研究浩如煙海，但是其背后的神經(jīng)元層面的機制，因為研究難度較大而鮮有報道。我們的這項研究便是圍繞這個主題而開展的。

一、工作記憶訓(xùn)練

工作記憶指的是個體在執(zhí)行認知任務(wù)中，對信息進行暫時儲存與操作的能力[1]。它被認為是語言理解、學(xué)習(xí)與記憶、推理和計劃等復(fù)雜認知能力的基石[2]（詳見前文：我們大腦的“緩存”有多大？https://mp.weixin.qq.com/s/uwojjQs3RxI49OgyRdnOng）。因此常常被做為訓(xùn)練任務(wù)在腦力訓(xùn)練中使用。

以人為對象的研究結(jié)果表明，經(jīng)過行為訓(xùn)練后，大腦不同區(qū)域的活動強度有所升高，特別是前額葉皮層和后頂葉皮層[3-5]。在獼猴大腦上進行的研究進一步揭示，經(jīng)過訓(xùn)練后，更多的前額葉皮層神經(jīng)元以更高的發(fā)放頻率參與編碼視覺刺激的信息[6]。并且，行為訓(xùn)練還能顯著地降低前額葉皮層神經(jīng)元編碼的變異性和噪音的干擾[7]。

不過，學(xué)術(shù)界關(guān)于工作記憶訓(xùn)練的效果是否能夠遷移到其他不在訓(xùn)練范圍內(nèi)的行為任務(wù)（以及日常生活任務(wù)）中一直都存在著爭議[8-10]。一些研究聲稱已成功地將訓(xùn)練的效果從一個工作記憶任務(wù)轉(zhuǎn)移到了另一個未經(jīng)訓(xùn)練的工作記憶任務(wù)中[11, 12]。甚至還有研究表明，工作記憶任務(wù)的訓(xùn)練可以提升青少年和成年人的注意力、閱讀能力和流體智力（先天智力，不依賴于后天的知識經(jīng)驗）等其他認知能力[13-15]。而另一些研究則表示沒有發(fā)現(xiàn)工作記憶訓(xùn)練的效果可以轉(zhuǎn)移到其他認知任務(wù)上[16-18]。無論是何種情況，這種訓(xùn)練效果的轉(zhuǎn)移在神經(jīng)元活動水平上的基礎(chǔ)仍不明確。

二、如何研究行為訓(xùn)練效果的遷移？

如筆者在前文（腦力訓(xùn)練與“用進廢退”的大腦https://mp.weixin.qq.com/s/L8BUvv5gIEl_odMrprFoEg）所述，目前直接研究行為訓(xùn)練效果的遷移幾乎不可能實現(xiàn)。一方面是我們?nèi)祟惿钤谶^于復(fù)雜、不可控的環(huán)境中。另一方面是任何我們執(zhí)行過的操作，哪怕只有一次，都會對今后的表現(xiàn)有所影響。為了盡可能的排除這些影響，在動物實驗中我們采取了以下措施：1. 使用智力水平較高、生活環(huán)境較為可控、且之前未接受任何行為訓(xùn)練的獼猴作為實驗對象；2.?采取一個與訓(xùn)練任務(wù)類似、不需要“操作”的、被動注視的行為任務(wù)作為測試任務(wù)（圖 1）。

在項目開始前，我們在獼猴的背外側(cè)前額葉皮層（dorsolateral prefrontal cortex, dlPFC）植入了一組由64根電極組成的慢性電極陣列。隨后我們訓(xùn)練獼猴執(zhí)行主動任務(wù)，訓(xùn)練過程中同步記錄神經(jīng)元的活動。我們檢測并比較獼猴在執(zhí)行主動和被動任務(wù)時神經(jīng)元的活動變化。主動任務(wù)（訓(xùn)練任務(wù)b-e）是一系列難度逐步增加的工作記憶任務(wù)，被動任務(wù)（測試任務(wù)a）是不需要工作記憶的被動注視任務(wù)。

?

主動任務(wù)（active?task）包括四個階段：第一階段（圖 1b）只需要記憶一個位置。該階段包括匹配和不匹配（match/nonmatch）兩類任務(wù)。猴子需要選擇菱形/H來表達他們看到的兩個位置是否匹配。隨著實驗的進行，每類任務(wù)連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)會逐步減少，直至隨機出現(xiàn)。在第二階段（圖 1c），仍然只需記憶一個位置，匹配和不匹配的試驗隨機地出現(xiàn)。第三階段（圖 1d），有更多的刺激位置被逐步引入，虛線框是可能出現(xiàn)的位置。第四階段，需要維持工作記憶的延緩期逐步增加，最終達到和被動任務(wù)中一樣的長度。

被動任務(wù)（passive?task）在主動任務(wù)開始之前便已經(jīng)開展（圖 1a）。并且，在每天接受主動任務(wù)訓(xùn)練前，猴子也會被?“執(zhí)行”一遍被動任務(wù)。在被動任務(wù)中，刺激呈現(xiàn)的時程與訓(xùn)練任務(wù)的最后階段相同。區(qū)別在于，在被動任務(wù)中，任務(wù)結(jié)束時不會出現(xiàn)選擇目標(biāo)，猴只要保持注視屏幕中央的注視點便能獲得獎勵（果汁）。

三、行為訓(xùn)練過程中神經(jīng)元活動的變化

在如上所述的行為訓(xùn)練的過程中，獼猴外側(cè)前額葉皮層中與執(zhí)行主動任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元的數(shù)目（圖 2c橙色）、放電頻率（圖 2a）都有所提升。這一結(jié)果與之前的大量研究一致。有趣的是，雖然獼猴在“執(zhí)行”被動任務(wù)時，并沒有真正地去執(zhí)行，只是被動地盯著屏幕的中央便可獲得獎勵。但是在“執(zhí)行”被動任務(wù)中前額葉神經(jīng)元數(shù)目（圖 2c藍色）、以及在編碼工作記憶的延緩期的放電頻率（圖 2b2藍色）也都隨著主動訓(xùn)練得到了些許的提升。而與此同時，其對視覺刺激的響應(yīng)（圖 2b2橙色）除了在主動訓(xùn)練剛開始時有提升，在訓(xùn)練的過程中則幾乎沒有變化。這反映了神經(jīng)元對感覺信息的響應(yīng)并沒有變化，變化的可能是對工作記憶的編碼能力。

?

類似的結(jié)果在我們對這些神經(jīng)元進行的噪音相關(guān)性（noise correlation）和場電位的分析中也可以被觀察到。成對神經(jīng)元之間的噪音相關(guān)性可以反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的連接情況。它與注意力、覺醒程度呈現(xiàn)負相關(guān)。因此通常會在長時程學(xué)習(xí)的過程中隨著注意力集中而逐步降低。我們觀察到的結(jié)果（圖 2d橙色）與之一致。并且這一現(xiàn)象不只存在于主動任務(wù)中，在被動任務(wù)中也有類似的趨勢（圖 2d藍色）。表征群體神經(jīng)活動的局部場電位（local field potential,?LFP）同樣也是衡量工作記憶訓(xùn)練程度的標(biāo)準(zhǔn)之一。特別是其中的Beta波，隨著訓(xùn)練的進行會逐步降低[19]。我們的實驗結(jié)果（圖 2e）也與之前的報道一致。并且，同樣的現(xiàn)象也在被動任務(wù)中被觀察到（圖 2f）。

?

結(jié)論

我們的研究表明：長期的工作記憶訓(xùn)練過程中，前額葉神經(jīng)元的活動會逐步地變化。這種易化現(xiàn)象體現(xiàn)在單個神經(jīng)元的活動，神經(jīng)元之間的連接，以及局部區(qū)域內(nèi)的群體神經(jīng)元活動。并且，行為訓(xùn)練的效果能在不同的任務(wù)之間遷移，也會導(dǎo)致前額葉神經(jīng)元在獼猴被動地“執(zhí)行”另一個行為任務(wù)時體現(xiàn)出類似的易化現(xiàn)象。

?

圖片來源

封面圖片：https://www.mindful.org/train-your-brain-to-build-resilience/

其他圖片：論文原文

?

參考文獻

1. Baddeley, A., Working memory: theories, models, and controversies.?Annu Rev Psychol, 2012. 63: p. 1-29.

2. Baddeley, A., Working memory.?Science, 1992. 255(5044): p. 556-9.

3. Klingberg, T., Training and plasticity of working memory.?Trends Cogn Sci, 2010. 14(7): p. 317-24.

4. Hempel, A., et al., Plasticity of cortical activation related to working memory during training.?American Journal of Psychiatry, 2004. 161(4): p. 745-7.

5. Jolles, D.D., et al., Practice effects in the brain: Changes in cerebral activation after working memory practice depend on task demands.?Neuroimage, 2010. 52(2): p. 658-68.

6. Meyer, T., et al., Stimulus selectivity in dorsal and ventral prefrontal cortex after training in working memory tasks.?J Neurosci, 2011. 31(17): p. 6266-76.

7. Qi, X.L. and C. Constantinidis, Correlated discharges in the primate prefrontal cortex before and after working memory training.?Eur J Neurosci, 2012. 36(11): p. 3538-48.

8. Cortese, S., et al., Cognitive training for attention-deficit/hyperactivity disorder: meta-analysis of clinical and neuropsychological outcomes from randomized controlled trials.?J Am Acad Child Adolesc Psychiatry, 2015. 54(3): p. 164-74.

9. Swanson, H.L. and M. McMurran, The impact of working memory training on near and far transfer measures: Is it all about fluid intelligence??Child Neuropsychology, 2018. 24(3): p. 370-395.

10. Jaeggi, S.M., Transfer of Working Memory Training: Theoretical and Practical Considerations.?Journal of Cognitive Neuroscience, 2013: p. 26-26.

11. Jaeggi, S.M., et al., Short- and long-term benefits of cognitive training.?Proc Natl Acad Sci U S A, 2011. 108(25): p. 10081-6.

12. Borella, E., et al., Working memory training in older adults: evidence of transfer and maintenance effects.?Psychol Aging, 2010. 25(4): p. 767-78.

13. Jaeggi, S.M., et al., Improving fluid intelligence with training on working memory.?Proc Natl Acad Sci U S A, 2008. 105(19): p. 6829-33.

14. Loosli, S.V., et al., Working memory training improves reading processes in typically developing children.?Child Neuropsychol, 2012. 18(1): p. 62-78.

15. Brehmer, Y., H. Westerberg, and L. Backman, Working-memory training in younger and older adults: training gains, transfer, and maintenance.?Front Hum Neurosci, 2012. 6: p. 63.

16. Melby-Lerv?g, M., T.S. Redick, and C. Hulme, Working memory training does not improve performance on measures of intelligence or other measures of “far transfer” evidence from a meta-analytic review.?Perspectives on Psychological Science, 2016. 11(4): p. 512-534.

17. Chooi, W.-T. and L.A. Thompson, Working memory training does not improve intelligence in healthy young adults.?Intelligence, 2012. 40(6): p. 531-542.

18. Colom, R., et al., Adaptive n-back training does not improve fluid intelligence at the construct level: Gains on individual tests suggest that training may enhance visuospatial processing.?Intelligence, 2013. 41(5): p. 712-727.

19. Lundqvist, M., et al., Gamma and Beta Bursts Underlie Working Memory.?Neuron, 2016. 90(1): p. 152-164.

?