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本文推荐：为探索工作记忆（WM）维持的神经动力学机制，研究人员利用颅内宏电极记录技术，在人类执行视觉WM任务期间，研究了背外侧前额叶皮层（PFC，对应中额回MFG）和多感觉外侧颞叶区（对应中颞回MTG）的高伽马（70-140 Hz）和贝塔（12-30 Hz）频带的簇发性活动（bursting）。研究发现，左侧PFC在编码和延迟期高伽马簇发增加、贝塔簇发减少，而右侧MTG在延迟期贝塔簇发增加，且这些活动与WM表现相关。此外，研究提出“相位-簇发耦合”（PBC）新指标，揭示了延迟期颞叶高伽马簇发受PFC贝塔相位调控。结果表明，跨区域的神经簇发及耦合可能是支持WM的重要机制。该研究为理解人类WM的动态网络机制提供了新见解。
你是否曾有过这样的经历：话到嘴边却突然忘记要说什么，或者刚看过的电话号码转眼就回忆不起来？这背后是我们大脑一项至关重要的高级认知功能——工作记忆在起作用。工作记忆如同大脑的“便签条”，允许我们在几秒钟内暂时保持和处理信息，是学习、推理和决策等复杂认知活动的基石。然而，这个“便签条”是如何在大脑中实现的，一直是神经科学领域的核心问题。
传统观点认为，工作记忆的维持依赖于神经元持续的、高频率的放电活动，即“持续性活动”。然而，近年来越来越多的证据表明，在单次试验中，神经活动往往是稀疏且动态的，表现为短暂的、簇发式的神经活动“脉冲”。在非人灵长类动物的前额叶皮层，研究人员观察到与工作记忆信息编码相关的短暂高伽马频段功率簇发和贝塔频段功率的抑制。但是，工作记忆很可能涉及一个包括前额叶执行区和后部感觉区在内的分布式网络协同工作。那么，在人类大脑中，这种簇发性活动是否同样存在于前额叶和颞叶等多感觉区域？这些不同脑区的活动又是如何协调以支持工作记忆的呢？这些问题尚未得到充分解答。
为了回答这些问题，由Vladimir Omelyusik、Bornali Kundu等研究人员组成团队在《NeuroImage》上发表了他们的研究成果。他们利用癫痫患者在进行临床监测时植入的颅内电极，记录了7名患者在执行视觉物体工作记忆任务时的脑电活动。研究对象为正在接受癫痫术前评估的患者，其颅内电极植入位置由临床需求决定。研究人员重点关注了背外侧前额叶皮层（其解剖图谱对应区为中额回，MFG）和多感觉颞叶区（对应中颞回，MTG）。他们首先筛选出在任务编码期对刺激有显著宽带（30-140 Hz）功率响应的通道，然后专门检测了高伽马（70-140 Hz）和贝塔（12-30 Hz）频段的簇发性活动（定义为功率持续超过基线2个标准差达3个振荡周期以上的时段），并分析了这些活动与任务时期（编码期、延迟期）和行为表现（正确 vs. 错误试次）的关系。此外，他们还提出了一个新的度量指标——相位-簇发耦合，用以量化一个脑区的高伽马簇发活动在多大程度上受另一个脑区贝塔振荡相位调控。
研究结果揭示了几个重要发现。首先，人类工作记忆伴随着前额叶和多感觉颞叶区的簇发性活动。在左侧中额回，尽管试次平均的高伽马功率在延迟期持续升高，但单试次水平显示的是短暂的高伽马功率簇发，其簇发率在延迟期增加；与此同时，贝塔簇发率则降低。有趣的是，在右侧中颞回，情况则相反，贝塔簇发率在编码期和延迟期均显著升高。这表明，不同脑区在工作记忆中扮演着不同的角色。
其次，簇发活动与工作记忆表现密切相关。在左侧中额回，正确试次相比错误试次，在延迟期表现出更高的高伽马簇发率和更低的贝塔簇发率。而在右侧中颞回，正确试次则表现出更高的贝塔簇发率，尤其是在延迟期。这表明，前额叶的高伽马簇发和颞叶的贝塔簇发对于成功的工作记忆维持至关重要。
最引人注目的发现是关于脑区间的协调机制。研究人员通过定向相位滞后指数分析发现，在正确的试次中，前额叶的贝塔节律在延迟期领先于颞叶区，提示可能存在自上而下的控制。更重要的是，他们新提出的相位-簇发耦合指标显示，在正确的试次中，颞叶区的高伽马簇发活动显著地耦合于前额叶的贝塔振荡相位，具体表现为高伽马簇发倾向于发生在前额叶贝塔相位的波峰附近。这种耦合在错误试次中较弱，并且相反方向（自下而上）的耦合并不显著。这提示，前额叶可能通过其贝塔节律的相位来“门控”或调控颞叶感觉区信息表征（以高伽马簇发为标志）的时机，从而实现跨脑区的有效信息沟通，支持工作记忆的维持。
研究人员还在一个任务设计略有不同的独立患者队列中进行了验证。在该队列中，患者在执行任务时无需严格保持中心注视，其工作记忆表现更好，但前额叶的簇发效应和脑区间耦合效应不如第一个队列明显。然而，其中一名表现较差、任务模式更接近第一个队列的患者，则重现了右侧中颞回贝塔簇发增加以及前额叶-颞叶相位-簇发耦合增强的模式。这暗示了任务要求可能影响特定脑区的参与程度。
本研究通过人类颅内记录，首次在群体水平证实了工作记忆期间前额叶和多感觉颞叶存在特征性的高伽马和贝塔簇发性活动，并且这些活动与记忆表现相关。更重要的是，研究引入了相位-簇发耦合这一新概念，揭示了前额叶与颞叶之间通过振荡相位协调神经簇发活动的时间，可能是工作记忆网络中跨区域信息整合的一种新机制。这一发现将经典的“持续性活动”假说和新兴的“动态编码”理论联系起来，为理解人类工作记忆的神经基础提供了更精细的图景。未来的研究可以进一步探索这种簇发活动是否直接编码特定的记忆内容，以及这种耦合机制是否普遍存在于其他认知过程或脑网络中。
主要技术方法概述
本研究主要利用临床监测的癫痫患者颅内脑电图数据。研究对象为植入颅内电极的癫痫患者队列。关键实验技术包括：1）基于标准化脑图谱的电极触点定位；2）针对高伽马和贝塔频带的簇发性活动检测算法；3）行为表现与神经活动的关联分析；4）脑区间功能连接分析，包括定向相位滞后指数和本研究新提出的相位-簇发耦合指标；5）基于聚类的置换检验等统计方法。
研究结果
2.1. 人类工作记忆期间前额叶皮层存在功率簇发
研究发现，在左侧背外侧前额叶，试次平均的高伽马功率在编码和延迟期持续升高，贝塔功率持续降低。但在单试次水平，这些变化表现为短暂的功率簇发，而非持续活动。左侧中额回在延迟期高伽马簇发率增加，贝塔簇发率降低。
2.2. 人类外侧颞叶在工作记忆期间也存在簇发活动
与前额叶不同，右侧中颞回的试次平均高伽马功率仅在编码期被抑制，贝塔功率无显著变化。然而，簇发分析显示，右侧中颞回的贝塔簇发率在编码期和延迟期均显著升高。
2.3. 左侧前额叶皮层和多感觉颞叶区的簇发率随任务表现变化
左侧中额回的高伽马簇发率在正确试次的延迟期更高，贝塔簇发率在编码期更低。右侧中颞回的贝塔簇发率在正确试次的延迟期更高。这表明这些脑区的簇发活动与工作记忆表现密切相关。
2.4. 前额叶的簇发与多感觉区的簇发存在耦合
研究发现前额叶和颞叶的簇发率在试次过程中同步变化。进一步分析表明，在正确的试次中，前额叶的贝塔节律在延迟期相位领先于颞叶区。新提出的相位-簇发耦合指标显示，颞叶区的高伽马簇发显著耦合于前额叶的贝塔相位（自上而下方向），且这种耦合在正确试次中更强。
研究结论与讨论
本研究证实，工作记忆的维持与人类前额叶和多感觉颞叶区的特征性神经簇发活动有关。左侧前额叶的高伽马簇发可能促进局部信息处理，而其贝塔簇发减少可能意味着抑制的解除。右侧颞叶贝塔簇发的增加可能起到抑制无关神经群体、稳定记忆表征的作用。研究提出的相位-簇发耦合机制为理解前额叶如何通过低频振荡相位调控感觉区的高频活动以实现跨脑区协调提供了新证据，支持了“感觉招募理论”。这些发现深化了对工作记忆动态网络机制的理解，提出的新指标也为研究其他认知过程中的脑区间相互作用提供了新工具。
