Curr Biol：從“時間編碼”到“空間計算”，神經振蕩如何充當認知的鏤空模版？

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基本信息

Title:Oscillatory control of cortical space as a computational dimension

發表時間：2025.12.22

發表期刊:Current Biology

影響因子：7.5

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研究背景

認知靈活性（Cognitive Flexibility）是人類智慧的基石。為了適應不斷變化的環境，我們的大腦必須根據當前的“任務背景”即時調整處理信息的方式。例如，看到紅燈時，作為行人你要停下，作為司機你也要剎車，但具體的動作和注意力的分配截然不同。長期以來，神經科學領域一直在探索一個核心謎題：大腦如何在不改變解剖連接的情況下，實現這種瞬息萬變的靈活控制？

傳統觀點多關注神經元發放率（Firing Rate）的時間動態或特定的神經環路，認為不同任務募集了不同的神經元群。然而，MIT的Earl K. Miller團隊近年來提出了一種更具顛覆性的視角：“空間計算理論”（Spatial Computing Theory）。

該理論打了一個生動的比方：大腦皮層的物理空間本身就是一個計算維度。如果把感覺信息比作潑灑的顏料，那么高階的認知控制信號就像是一個“鏤空模版（Stencil）”。這些控制信號通過特定的振蕩模式（Oscillations）在皮層表面形成空間圖案，抑制某些區域、開放另一些區域，從而決定了感覺信息在何處被“寫”入和處理。這種機制是否真的存在？低頻振蕩（Alpha/Beta波）是否真的充當了這種動態的“空間門控”？本研究利用非人靈長類動物的高密度多電極陣列記錄，對這一理論進行了迄今為止最全面的實證檢驗。

Figure 1. Schematic overview of spatial computing and task designs

研究核心總結

本研究由麻省理工學院（MIT）的Zhen Chen和Earl K. Miller等人完成，2025年12月22日發表于Current Biology。研究團隊在獼猴執行多種認知任務（工作記憶、序列記憶及類別判斷）時，記錄了外側前額葉皮層（lPFC）的局部場電位（LFP）和多單元發放活動。結果強有力地支持了空間計算理論的核心假設，揭示了Alpha/Beta振蕩如何通過在皮層表面構建動態的抑制模式來調控信息處理。

Figure 2. Alpha/beta power primarily carried task information, while spiking activity conveyed mixed sensory and task information

頻段的功能分離：振蕩編碼“背景”，發放編碼“內容”

研究發現，神經信號在攜帶信息類型上存在顯著的功能分離。Alpha/Beta振蕩（10-30 Hz）主要編碼任務相關的背景信息（如任務規則、序列順序、類別邊界），且隨著認知需求的增加（如抽象程度提高），這種編碼會進一步增強。相比之下，神經元的脈沖發放（Spiking）則主要負責表征具體的感覺內容（如具體的圖像ID），同時也混合編碼了部分任務信息。這種分離驗證了振蕩作為“控制信號”而非“內容載體”的假設。

Figure 3. Category encoding varies with abstractness level

皮層表面的“抑制性模版”機制

這是本研究最令人興奮的發現。研究人員觀察到，Alpha/Beta功率在皮層表面并非均勻分布，而是形成了具有顯著空間聚類特征的斑塊狀模式。更為關鍵的是，Alpha/Beta功率的空間分布與感覺信息的表征強度呈顯著的負相關。具體而言，在Alpha/Beta功率較高的皮層位點，神經元對感覺刺激的編碼能力（解釋方差百分比，PEV）顯著受抑制；反之，在Alpha/Beta功率較低的“窗口”區域，感覺信息得以豐富地表達。這直接證實了Alpha/Beta振蕩充當了“抑制性模版（Inhibitory Stencils）”的角色：它們限制了神經計算發生的物理位置。

Figure 4. Alpha/beta power is spatially organized across the surface of cortex

隨任務動態重構的空間幾何

當任務條件發生改變（例如從一種分類規則切換到另一種）時，Alpha/Beta的空間分布模式會發生重組。這種重組并非隨機，而是系統性的：隨著抑制性模版的移動，感覺信息在皮層上的表達位置也隨之發生了相應的空間映射轉移。這表明大腦通過重構皮層表面的振蕩幾何形態，來靈活地改變信息流的路由。

Figure 5. Alpha/beta patterns are spatially anti-correlated with the distribution of sensory information in cortical space

振蕩模式精準預測行為決策

在類別判斷任務中，Alpha/Beta振蕩不僅反映了客觀的任務規則，更反映了動物的主觀決策過程。在錯誤試次中，Alpha/Beta的群體活動軌跡會系統性地偏向錯誤的類別方向，這種偏移甚至比脈沖發放更能穩定地預測錯誤行為。這說明這些宏觀的振蕩模式在指導下游決策中起到了決定性作用。

Figure 6. Alpha/beta and spiking reflect correct versus incorrect decisions about sequential order but not about stimulus identity

總而言之，本研究通過直接的生理學證據，確立了“皮層空間作為計算維度”的有效性。它揭示了一種高效的神經計算機制：大腦不需要為每個新任務構建新的硬連線，而是利用低頻振蕩作為動態的“交通指揮系統”，在固定的解剖結構上通過調節局部興奮性，靈活地定義功能子空間。這不僅統一解釋了工作記憶、注意力控制和靈活決策的神經基礎，也為理解混合選擇性（Mixed Selectivity）等復雜神經現象提供了機制性的物理圖景。

Figure 7. Alpha/beta patterns reflect category errors and predict trial-by-trial decisions

Abstract

Flexible cognition depends on the ability to represent and apply relevant information to the current task at hand. This allows the brain to interpret sensory input and guide behavior in a context-dependent manner. Recent work has proposed “spatial computing” as a mechanism for this flexibility, suggesting that task-related signals organize information processing through spatial patterns of oscillatory activity across the cortical surface. These patterns are proposed to act as “inhibitory stencils” that constrain where sensory-related information (the “content” of cognition) can be expressed in spiking activity. Here, we provide a comprehensive empirical test of spatial computing using multi-electrode recordings from the lateral prefrontal cortex in non-human primates performing a range of cognitive tasks (object working memory, sequence working memory, and categorization). We found that alpha/beta oscillations encoded task-related information, were organized into spatial patterns that changed with task conditions, and inversely correlated with the spatial expression of sensory-related spiking activity. Furthermore, we found that alpha/beta oscillations reflected misattributions of task conditions and correlated with subjects’ trial-by-trial decisions. These findings validate core predictions of spatial computing, suggesting that oscillatory dynamics not only gate information in time but also shape where in the cortex cognitive content is represented. This framework offers a unifying principle for understanding how the brain flexibly coordinates cognition through structured population dynamics.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部