2022年4月20日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室薛贵教授课题组在Science Advances在线发表了题为Higher-dimensional neural representations predict better episodic memory的研究论文，揭示了人脑高维神经表征提高记忆能力的神经机制。
记忆是人类拥有一切智能的基石，不同个体的记忆能力存在显著差异，但影响个体记忆的神经表征机制目前尚不清楚。薛贵教授课题组一直致力于揭示人脑记忆的神经表征机制（Xue et al., 2018, TICS）。他们以往的研究考察了大脑对单个材料的表征精度及其与记忆的关系，发现高精度的神经表征与更强的记忆能力表现相关（Xue et al., 2010, Science; Lu et al., 2015, Current Biology），而老年人神经表征精度的下降导致了记忆能力的衰退（Zheng et al., 2017, Cerebral Cortex）。
在本研究中，作者采用了一个新的大脑神经表征的方法，即表征维度（Representational Dimensional，简称RD），来刻画大脑如何表征以及区分同一类别的多个不同学习材料（如人脸）。低的表征维度意味着个体利用少量的共同的特征（feature）来表征不同材料，使得神经表征更加鲁棒和可迁移；而高维度的表征则意味着个体利用更多的特征来表征不同材料，使得表征信息更加丰富和可区分。但表征维度是否存在个体差异，其与个体的记忆能力存在怎样的关系，以及影响表征维度的因素是什么？
为了回答这些问题，本研究利用了实验室在“中国青年成人认知神经遗传研究”（CNSCYA）项目收集的人脸-名字配对学习任务的功能磁共振成像数据（n = 468），以及新的神经表征维度分析指标（有效表征维度，RDeff）（图1），来揭示表征维度与记忆的关系。
记忆是人类拥有一切智能的基石，不同个体的记忆能力存在显著差异，但影响个体记忆的神经表征机制目前尚不清楚。薛贵教授课题组一直致力于揭示人脑记忆的神经表征机制（Xue et al., 2018, TICS）。他们以往的研究考察了大脑对单个材料的表征精度及其与记忆的关系，发现高精度的神经表征与更强的记忆能力表现相关（Xue et al., 2010, Science; Lu et al., 2015, Current Biology），而老年人神经表征精度的下降导致了记忆能力的衰退（Zheng et al., 2017, Cerebral Cortex）。
在本研究中，作者采用了一个新的大脑神经表征的方法，即表征维度（Representational Dimensional，简称RD），来刻画大脑如何表征以及区分同一类别的多个不同学习材料（如人脸）。低的表征维度意味着个体利用少量的共同的特征（feature）来表征不同材料，使得神经表征更加鲁棒和可迁移；而高维度的表征则意味着个体利用更多的特征来表征不同材料，使得表征信息更加丰富和可区分。但表征维度是否存在个体差异，其与个体的记忆能力存在怎样的关系，以及影响表征维度的因素是什么？
为了回答这些问题，本研究利用了实验室在“中国青年成人认知神经遗传研究”（CNSCYA）项目收集的人脸-名字配对学习任务的功能磁共振成像数据（n = 468），以及新的神经表征维度分析指标（有效表征维度，RDeff）（图1），来揭示表征维度与记忆的关系。
图1 实验范式，感兴趣区定义和表征维度估计示意图
研究发现人脑中的表征维度低于最大可能维度，但远高于深度神经网络模型识别个体面孔所需的维度，表现出高维且鲁棒的特性。有趣的是，越高级的面孔区的表征维度越高，同时海马则具有最高的维度（图2）。这些结果支持了大脑进行面孔加工时层级性的信息表征模式，以及海马的高度稀疏的神经表征特征。
图2 人脑中面孔表征维度的层级性
本研究的一个重要发现是神经表征维度促进了人类情景记忆的有效编码。具体来说，随后记住的面孔比随后遗忘的面孔具有更高的表征维度，同时表征维度更高的个体具有更好的记忆表现（图3）；这些结果提示高维神经表征可能优化了信息编码并且可以促进记忆。
图3 面孔表征维度促进情景记忆的有效编码
进一步探索影响表征维度的可能机制，本研究发现低维变异与额顶脑区的活动以及记忆能力均表现出显著的负相关（图4）。中介分析显示，额顶脑区的活动通过降低后部脑区（尤其是颞上沟）不同体素之间的反应相关性从而增加该后部脑区的表征维度（图4）。这些结果说明自上而下的注意控制可以抑制神经元共享的低维变异，降低局部神经反应的相关性，从而增加了神经元集群的编码空间和表征维度，最终导致更好的情景记忆表现。
图4 表征维度受到自上而下的注意调控
本研究获得了国家自然科学基金、中以国际合作研究基金等的资助。课题组在读博士生圣锦涛为本文的第一作者，薛贵教授为本文的通讯作者。
论文：Jintao Sheng, Liang Zhang, Chuqi Liu, Jing Liu, Junjiao Feng, Yu Zhou, Huinan Hu, Gui Xue*. Higher-dimensional neural representations predict better episodic memory. Science Advances, 2022, 8(16), eabm3829.
论文网址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3829
其它相关论文：
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Xue G*. 2018. The Neural Representations Underlying Human Episodic Memory. Trends Cogn Sci. 22(6): 544-561. Review.
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Zheng L, Gao Z, Xiao X, Ye Z, Chen C, Xue G*. 2017. Reduced Fidelity of Neural Representation Underlies Episodic Memory Decline in Normal Aging. Cereb Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhx130.
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Lu Y, Wang C, Chen C, Xue G*. 2015. Spatiotemporal Neural Pattern Similarity Supports Episodic Memory. Current Biology. 25(6): 780-5
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Xue G, Dong, Q, Chen, C, Lu ZL, Poldrack RA. 2010. Greater neural pattern similarity across repetitions is associated with better later memory. Science. 330(6000): 97-101