过去的经历塑造了我们，也潜移默化地影响着我们当下的几乎所有认知行为。过去与现在紧密交互且自动发生，这一规律构成大脑工作的主要基调。2023年3月25日，3200威尼斯vip、IDG麦戈文脑科学研究所罗欢课题组，在《PloS Biology》在线发表论文(Zhang & Luo, in press)，从知觉决策的序列偏差现象入手，揭示了当前认知被过去自动重塑的神经机制：过去试次中所包含的特征信息被当前试次的对应特征信息从“静默态”记忆系统中重新激发，过去和现在的相遇重构了当前的特征加工，影响了当前的行为，引发行为上的序列偏差效应。
Image credit: Sara Liang
神经科学家Dean Buonomano教授曾提出一个有趣的比喻——大脑是一台时光机。我们感知并活在当下，也可追溯过去、预演未来，超越时空限制。更进一步，纯粹的当下其实并不存在，每一时刻的认知都无法局限于“此时此地”的感知，而是会自发受到过去经验的塑造和影响。“去年今日此门中，人面桃花相映红”——一年前的事件在记忆中被激活，进而影响了对当下情境的认知——“人面不知何处去，桃花依旧笑春风”。
记忆的重演和再巩固在长时记忆领域有广泛研究（比如去年今日），然而，在我们日常生活中的较短时间尺度上是否存在呢？近十年来，大量心理学行为实验发现了广泛存在于很多认知任务中的序列依赖效应（serial dependence/sequential effects）。该效应指的是，当前实验试次的感知决策会自动受到前几个试次的影响并产生系统偏差。这一现象从某种程度挑战了大部分心理学和认知神经实验的假设，即试次之间是独立的。该现象表明，大脑认知自动受过去影响，甚至可以无意识发生。
然而，序列依赖效应是一个非常复杂的现象，其中刺激、决策和反应经常混杂在一起，给其机制的揭示带来了极大挑战。过去的什么信息被保留并传递到后续试次中？这些信息如何被存储进而影响后续的认知加工过程？在本研究中，研究团队通过分离同一事件中涉及的不同成分（物理刺激、主观判断、动作输出），结合高时间分辨率的脑电信号记录，系统揭示了序列依赖效应背后的“自动重激活”的动态神经机制。该论文被序列依赖效应研究的先驱者David Burr教授评价为“一篇巧妙又有趣，值得高影响力刊物发表的论文”（This is a clever and interesting paper worthy of high-impact publication）。
本研究设计了一个听觉音高分类任务。受试者需要在每个试次中，对播放的纯音进行音高分类，进行按键报告。通过精细的实验设计，研究团队可以在同一试次中分离出三种特征（音调、类别、动作按键）的影响。结果发现，这三种特征都存在序列依赖效应，且具有不同的特性和影响方向：音调特征表现为排斥效应，类别特征表现为吸引效应，运动按键表现为排斥效应（图1）。
图1 多特征的序列偏差行为。音高引起排斥效应（左），类别引起吸引效应偏差（中），运动按键引起排斥效应（右）。
对同时记录的脑电活动信号的分析进一步揭示了序列依赖效应的动态神经机制。首先，当前试次的脑电活动中能解码当前试次的信息（预料之中）。但最为有趣的是，当前的事件发生会自动激发过去试次的相应特征信息：音调信息激发过去试次的音调，类别信息激发过去试次的类别，运动响应激活过去试次的运动反映（图2）。值得注意的是，过去试次包含的信息因为已经发生，理论上是可以一直处于激活状态的，然而研究结果表明，它们会潜入记忆的“静默态”，直到被当前试次的相应事件所重新激活。
图2 当前试次信息的神经表征（左）和过去试次信息的重激活（右）
进一步，过去信息的重激活也并不确定表明过去对当前的重塑，更无法揭示该影响的偏差方向（排斥或吸引）。研究团队进而开发新方法刻画过去对当前信息神经表征的方向性影响。结果表明，当前信息的神经表征确实会被过去影响，产生吸引或者排斥的偏移，且该神经偏移的方向与行为上不同特征的序列偏差的方向一致，并可以预测行为上的序列偏差效应（图3）。在实验一基础上，研究团队设计了实验二考察了其他因素，进一步验证了序列依赖效应的特征特异性的记忆重激活机制。
图3 过去信息引起当前信息神经表征的偏移。（a）分析示意图。（b）当前各特征信息表征受过去信息影响产生偏移的动态过程。
综上，课题组通过精细的实验设计，将刺激-决策-反应这三个高相关的变量分离，首次系统揭示了序列依赖效应背后的“记忆重激活”动态神经机制：过去的信息被当前的对应信息从“静默态”记忆系统中自动激发，过去和现在的相遇重构了当前的信息加工，影响了当下的行为。时间依赖性是脑工作的基本规律，该全新发现揭示了过去对当前重塑的动态脑机制，提示了短时间尺度的工作记忆和长时间尺度的长时记忆的可能联系，为大脑作为“时光机”的操作机制和神经原理提供了重要启发。
该论文标题为“Feature-specific reactivations of past information shift current neural encoding thereby mediating serial bias behaviors”。3200威尼斯vip张惠惠博士为本文第一作者。张惠惠博士与罗欢研究员为本文共同通讯作者。本研究获得国家科学和技术创新2030重大项目、国家自然科学基金重点项目、中国博士后科学基金项目资助。
文章链接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002056
2023-03-30