北師大最新NN：大腦如何用有限經(jīng)驗解決新問題？iEEG揭示海馬與前額葉的在線規(guī)劃機制

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基本信息

Title:Human hippocampal ripples coordinate planning sequences and compositional representations in neocortex

發(fā)表時間:2026-05-06

發(fā)表期刊:Nature Neuroscience

影響因子:20.0

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研究背景

人類大腦擁有一種非凡的能力：能夠?qū)⒂邢薜摹⑹煜さ脑仂`活重組，從而解決從未遇到過的新問題。這種被稱為“組合推理”（compositional inference）的能力，就像是用有限的樂高積木拼搭出無限的形狀，是我們語言、邏輯推理和創(chuàng)造性解決問題的基礎(chǔ)。

過去的神經(jīng)影像學(xué)研究表明，海馬和內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）在表征這些組合結(jié)構(gòu)時發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，受限于功能磁共振（fMRI）和腦磁圖（MEG）的時空分辨率，我們一直無法看清一個核心機制：大腦究竟是如何在毫秒級的時間尺度上，將記憶中的零散元素“組裝”成全新的關(guān)系結(jié)構(gòu)的？

為回答這個問題，北師大柳昀哲團隊借助高分辨率的顱內(nèi)腦電圖（iEEG），記錄了28名正在執(zhí)行“樂高拼接推理”任務(wù)的癲癇患者的海馬與皮層活動。這項研究不僅證實了大腦如何在內(nèi)部模擬規(guī)劃，更揭示了海馬尖波漣漪（ripples）在動態(tài)更新皮層表征中扮演的在線計算角色。

研究核心總結(jié)

一、dmPFC負(fù)責(zé)編碼超越視覺的“組合表征”

在面對由不同積木組成的輪廓時，大腦不僅需要識別“有哪些積木”（感知表征），更需要理解“它們是如何拼接的”（組合表征）。研究者利用一種巧妙的“輪廓代數(shù)”分析方法發(fā)現(xiàn)，背內(nèi)側(cè)前額葉皮層（dmPFC）的高頻寬帶（HFB）活動在刺激出現(xiàn)后的中晚期，特異性地編碼了積木的關(guān)系配置。這意味著dmPFC能夠提取出跨越不同視覺形態(tài)的抽象組合規(guī)則，而作為對照的視覺皮層則僅僅停留在對低級像素重疊的物理特征編碼上。

Fig 1. 顱內(nèi)腦電圖記錄下的樂高輪廓構(gòu)建任務(wù)設(shè)計與受試者的行為表現(xiàn)。

Fig 2. dmPFC的高頻活動特異性地編碼了積木的組合表征，證明其提取了抽象的關(guān)系配置而非單純的視覺感知。

海馬尖波漣漪通常被認(rèn)為是離線記憶鞏固的標(biāo)志，但在這項在線推理任務(wù)中，海馬漣漪的發(fā)生率顯著升高，且更高的漣漪率預(yù)示著受試者更快的反應(yīng)速度。更關(guān)鍵的是，當(dāng)研究者將dmPFC的活動與海馬漣漪的時間點對齊時，發(fā)現(xiàn)dmPFC的組合表征編碼在漣漪峰值之后瞬間得到了顯著增強。這表明，海馬漣漪并非僅僅在休息時回放記憶，它們在認(rèn)知任務(wù)中充當(dāng)了動態(tài)更新mPFC任務(wù)相關(guān)表征的觸發(fā)器。

Fig 3. 海馬尖波漣漪的檢測示例及其在推理階段對組合表征的獨立編碼作用。

Fig 4. 海馬漣漪事件動態(tài)更新了dmPFC的活動，使其在漣漪峰值后表現(xiàn)出更強的組合表征編碼。

大腦是如何具體構(gòu)建這些組合表征的？在第二項序列配置任務(wù)中，研究者訓(xùn)練了針對單個積木的神經(jīng)解碼器，并追蹤了推理過程中的神經(jīng)重放（replay）現(xiàn)象。結(jié)果顯示，大腦會以大約70毫秒的時間延遲，按照物理連接的邏輯順序依次重放積木的神經(jīng)表征。這種序列重放主要從需要推斷的“當(dāng)前”積木發(fā)起，逐步向已知結(jié)構(gòu)的積木推進，實質(zhì)上是在腦海中快速試錯和模擬拼接過程。

Fig 5. 序列配置任務(wù)的設(shè)計邏輯，以及海馬漣漪發(fā)生率與推理反應(yīng)時間的預(yù)測關(guān)系。

Fig 6. 神經(jīng)重放分析表明，大腦通過特定的時間延遲將積木按序列組裝，形成對目標(biāo)輪廓的內(nèi)部假設(shè)。

研究進一步揭示了海馬與皮層協(xié)同的完整鏈路。那些與海馬漣漪高度對齊的神經(jīng)重放，不僅強度顯著高于非漣漪期，而且隨著受試者對任務(wù)的熟悉，無用的重放序列會逐漸減少，保留下來的關(guān)鍵重放則能準(zhǔn)確預(yù)測更高的正確率和更短的反應(yīng)時間。中介分析證實，這種漣漪對齊的重放正是通過增強mPFC的高頻活動，最終轉(zhuǎn)化為高效的組合推理行為。

Fig 7. 與海馬漣漪對齊的神經(jīng)重放通過激活mPFC，顯著提升了受試者的組合推理效率與準(zhǔn)確性。

研究意義

這項工作從根本上擴展了我們對海馬尖波漣漪的傳統(tǒng)認(rèn)知。長期以來，漣漪主要被視為睡眠或休息期間將短期記憶轉(zhuǎn)化為長期記憶的離線機制。而本研究提供了直接的人類電生理證據(jù)，表明海馬漣漪和神經(jīng)重放同樣服務(wù)于“在線規(guī)劃”。它們能夠在不改變突觸權(quán)重的情況下，瞬間重組皮層的關(guān)系代碼，讓大腦得以在有限的經(jīng)驗中快速泛化，應(yīng)對全新的挑戰(zhàn)。

此外，這種海馬與mPFC的緊密耦合機制，也為理解人類的創(chuàng)造性思維設(shè)定了邊界。雖然高效的組合推理依賴于這種腦區(qū)間的對話，但過度依賴既有圖式的重放也可能限制打破常規(guī)的創(chuàng)新。未來在更復(fù)雜的語義網(wǎng)絡(luò)或自然語言處理中，這一機制有望為我們揭開大腦“無限創(chuàng)造力”背后的底層算法。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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