視覺工作記憶中字母識別與空間定位的神經操作序列特異性研究

《Brain and Cognition》:Letter identification and spatial localization during visual working memory are enabled by unique sequences of stimulus-dependent neural operations

【字體: 時間:2025年05月09日 來源:Brain and Cognition 2.2

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  本研究針對工作記憶(WM)中視覺-言語與視覺-空間信息處理的神經機制差異,通過事件相關電位(ERP)技術分析3-back任務下的腦電活動。研究發現空間任務增強前部N1/后部P1-P3及晚期負成分,反映空間定向與位置更新;言語任務則顯示前部P150/后部N150復合波及晚期正負極性差異,提示字母特征識別與復述過程。成果為WM多組件模型提供了時序性神經證據,發表于《Brain and Cognition》。

  

工作記憶(Working Memory, WM)如同大腦的"臨時白板",負責短暫存儲和操縱信息以指導行為。傳統理論認為WM由中央執行系統和分離的存儲子系統組成,但不同信息模態(如文字與空間)的處理時序與神經機制差異仍不明確。隨著認知神經科學的發展,研究者發現WM負荷增加會削弱事件相關電位(ERP)的P3成分振幅,而刺激類型可能進一步調節這種效應。然而,視覺呈現的字母與空間位置信息在 demanding(高要求)的3-back任務中如何引發差異化的神經活動序列?這一問題對理解WM的多流處理模型至關重要。

為解決上述問題,由McKenzie Haller、Hope Nyarady和Thomas J. Covey等學者組成的研究團隊,在《Brain and Cognition》發表了創新性成果。研究采用具有高時間分辨率的ERP技術,對比44名健康受試者在視覺-言語(字母)和視覺-空間(位置)3-back任務中的腦電活動。關鍵實驗技術包括:1)標準化n-back范式設計含誘餌(lure)試次以增加執行負荷;2)64導聯EEG記錄與ERP成分分析;3)基于Mark Diamond研究基金支持的跨模態對比方法。

【Participants】
研究納入20-35歲健康人群,排除神經系統疾病等干擾因素,確保數據可靠性。

【Behavioral analyses】
行為數據顯示空間任務準確率顯著高于言語任務(F(1,39)=11.55, p=0.002, ηp2=0.229),證實不同模態的WM處理效率差異。

【General Overview】
ERP波形分析揭示:空間任務增強前部N1(約100ms負波)/后部P1(100ms正波)及P2(200ms正波),反映早期空間定向;而前部P3(300-500ms正波)與400ms后晚期負波提示位置更新機制。言語任務則呈現獨特的前部P150/后部N150復合波(150ms),可能關聯字母特征識別;N2(200-300ms負波)反映刺激沖突監控,后部P3與550ms后正負極性波動暗示分類與復述過程。

【Summary and conclusion】
研究表明:1)WM早期感知階段(<200ms)已出現模態特異性分化,言語任務依賴前腹側視覺流進行特征分析,空間任務激活背側流處理位置信息;2)執行控制階段(300-500ms)的P3成分雖具跨模態共性,但時空特征差異提示更新策略不同;3)晚期成分(>400ms)的極性反轉現象為WM維持機制提供新證據。這些發現深化了對WM多組件動態協同的理解,為認知障礙(如多發性硬化癥)的神經標記開發奠定基礎。

【CRediT authorship contribution statement】
多作者協作完成從實驗設計到論文撰寫的全過程,體現跨學科研究特色。

該研究創新性地通過ERP時序分析揭示WM處理"分時復用"特性,為Baddeley經典模型補充神經動力學證據。未來研究可結合fMRI空間定位技術,進一步驗證背腹側視覺流在WM中的分工假設。

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