工作记忆是让人类在短期情境中灵活处理不同信息片段的能力，例如制作心理购物清单然后去购物，或记住然后拨打电话号码。尽管科学家们一致认为工作记忆的容量是有限的，但他们关于这一现象的原因和机制提出了不同的理论。不过，来自布朗大学卡尼脑科学研究所的科学家的新研究揭示了工作记忆存在限制的原因。
工作记忆是让人类在短期情境中灵活处理不同信息片段的能力，例如制作心理购物清单然后去购物，或记住然后拨打电话号码。
尽管科学家们一致认为工作记忆的容量是有限的，但他们关于这一现象的原因和机制提出了不同的理论。不过，布朗大学卡尼脑科学研究所的科学家的新研究揭示了工作记忆存在限制的原因。
迈克尔·弗兰克，一位隶属于卡尼研究所的认知与心理科学教授，以及他的实验室中的研究生阿内里·索尼，开发了一个新的计算机模型，用以模拟与工作记忆相关的基底神经节和丘脑——这些大脑部位，展示了工作记忆存在限制的原因。
根据他们在《eLife》上发表的研究，答案与学习有关。
索尼说：“我们进行的模拟显示，如果我们一次性记住的项目超过几个，管理这么多信息就变得太困难，以至于大脑感到困惑，无法利用它存储的信息。与此同时，我们的研究表明，当面对这些限制时，大脑会通过学习策略性地利用一种机制来帮助节省空间。”
由于神经递质多巴胺在学习与工作记忆之间的关系中发挥了重要作用，研究人员表示，这些发现为帕金森病、注意缺陷多动障碍（ADHD）和精神分裂症等与多巴胺相关的疾病提供了新的见解。
该团队通过建立和测试一个新的计算机模型，复制了由弗兰克实验室及卡尼研究所神经科学和认知与心理科学助理教授马特·纳萨尔的实验开展的2018年人类实验结果，从而得出了这一发现。该研究确立了人类能够通过将相关信息整理在一起以节省空间的方式“分块”信息。
索尼知道，她成功构建了一个能够压缩信息的类脑计算机模型，当她将该模型挑战至2018年实验的一个版本时。她向模型展示了一个屏幕，上面有不同方向排列的彩色方块，然后问它记住哪个彩色方块指向哪个方向。在多次试验中，该模型学会了如何策略性地压缩信息，并开始将相似的颜色聚合在一起，例如蓝色和浅蓝色。
索尼表示，实验室使用新模型的模拟结果表明，学习而非容量是工作记忆的真正驱动力。她通过在一个没有“分块”能力但存储空间充足的模型上进行试验来证实这一点。她发现，具有分块机制的模型能够策略性地存储信息以达到其存储容量的最大值，而没有分块机制的模型似乎未能意识到它可以访问如此大量的存储，并且在存储和检索项目方面较差。
索尼表示，模型学习过程中的一个关键组成部分是模拟人脑多巴胺传递系统的机制。当模型因为已将相似颜色分块以节省空间而更好地记住更多方块的方向时，多巴胺传递系统启动，告诉模型在后续试验中面对相同限制时继续使用这一策略。
在实验的另一部分中，索尼调整了模型的多巴胺传递系统，以模拟关于帕金森病、精神分裂症和ADHD患者的多巴胺水平的相关知识。当她将模型挑战至相同的试验系列时，结果显示，没有健康的多巴胺传递系统，模型未能有效利用其存储空间，也没有频繁地进行信息分块。
弗兰克指出，这些新发现表明，计算脑科学如何能推动精神病学的发展。“以帕金森病为例，”弗兰克说。“大多数人将其视为运动障碍，因为运动变化是显而易见的。但事实证明，帕金森患者的工作记忆也发生了变化。他们通常接受针对前额叶皮层的药物治疗，但我们的发现建议应该测试针对基底神经节和丘脑的药物是否能够改善症状。”
弗兰克表示，对基底神经节和丘脑内发生了什么的更深入理解可能会促使临床医生采用不同的治疗方案。
这项研究得到了国防部（ONR MURI奖项 N00014-23-1-2792）和国家精神卫生研究所（R01 MH084840-08A1，T32MH115895）的支持。计算硬件得到了国立卫生研究院（S10OD025181）的支持。
