“没有人是一座孤岛”，这句话放在脑区上同样适用。记忆、决策等复杂认知活动，并非由某个脑区单独完成，而是依赖分布于全脑的多个系统协同合作。对记忆而言，一个重大的突破是：当人们再次遇到或回想某段经历时，大脑会重新激活初始编码阶段形成的神经活动模式，这一过程被称为神经再现（neural reinstatement）。再现越稳定、越具有项目特异性，记忆通常越准确。
然而，以往研究大多聚焦单个脑区内部的激活模式，例如内侧颞叶、感知觉皮层或顶叶皮层，较少考察脑区之间的协同关系是否也会被重新建立。因此，大尺度功能网络在同一刺激多次出现时是否表现出项目特异性的网络再现，以及这种网络再现是否与成功识别有关，仍是理解情景记忆系统机制的关键问题。
近日，斯坦福大学与华南师范大学合作团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表题为“Large-scale brain network reinstatement supports recognition memory”的研究论文。本研究基于自然场景数据集（Natural Scenes Dataset，NSD）的高分辨率7 T功能磁共振成像数据，构建单试次、全脑尺度的动态激活相似性网络。研究发现，同一场景图片重复呈现时会重现具有项目特异性的大尺度网络构型；且这种网络再现可以预测单个项目能否被正确识别。进一步分析显示，网络再现与局部激活再现既相互联系，又具有相对独立的空间组织、行为贡献和神经生物学基础。
1. 同一经历会重新建立相似的全脑网络构型
研究使用NSD连续识别任务数据。参与者在数月内多次观看自然场景图片，并判断当前图片是否曾经出现。研究者为每名参与者选取了恰好呈现三次的515张图像，共计1,545个试次；随后将每个试次的激活图划分为360个皮层区域，比较任意两个脑区内体素激活值概率分布的形状相似性，由此获得包含64,620条边的试次特异性激活相似性网络。
在此基础上，研究团队计算了网络模式相似性（network pattern similarity，NPS）：项目内NPS衡量同一图像三次呈现之间的网络构型相似性，项目间NPS则衡量不同图像之间的相似性。如果大尺度脑网络携带项目水平的信息，那么项目内NPS应显著高于项目间NPS。结果与这一预测一致：无论在全脑、功能子系统还是单个脑区与其余脑区连接模式的尺度上，同一图片重复出现时均表现出更高的网络相似性。
进一步的“网络消融”分析显示，依次移除任一功能子系统后，剩余网络仍保留显著的项目特异性，说明这一效应并非由单一系统独自驱动，而是分布于更广泛的全脑网络。其中，高级视觉网络和背侧注意网络的项目特异性尤为突出；几乎所有皮层区域与全脑其他区域的关系模式也都包含项目水平的信息。
图1. 单试次激活相似性网络的构建及项目特异性网络再现。
2. 网络再现越稳定，识别记忆越准确
证明网络构型能够区分不同刺激之后，研究进一步检验这种再现是否具有行为意义。结果显示，项目内与项目间NPS的差异会随识别准确性而变化，即被正确识别的项目表现出更强的项目特异性网络再现。连接高级视觉网络和背侧注意网络的网络边与识别成绩关系最为稳定，提示视觉表征的恢复与注意控制的协同可能共同支持对既往经历的辨认。
图2. 项目特异性的网络再现与识别表现相关。
研究还在项目水平建立混合效应逻辑回归模型。结果表明，同一图像前后两次呈现之间的网络构型越相似，后一次呈现时被正确识别的概率越高。尤其是第二次与第三次呈现之间的NPS最能预测第三次识别结果，而第一次与第二次呈现之间的NPS则可以预测第二次识别结果。这种时间特异性表明，记忆痕迹并非一次形成后保持不变，而可能随重复经历持续更新和重构。
图3. 网络再现可在单项目水平预测后续识别准确性。
3. 网络再现与神经调质与能量代谢梯度有关
不同皮层区域为何表现出不同强度的网络再现？为寻找潜在的生物学约束，研究团队将NPS衍生的皮层表征图谱与神经递质受体、基因表达、神经肽受体和线粒体生物能等多类皮层微结构图谱进行空间对应分析。结果显示，项目特异性的网络表征与5-羟色胺能、胆碱能的分布，以及线粒体复合体活动和线粒体密度等能量代谢指标显著相关。
这些空间对应关系提示，稳定重建跨区域网络构型可能需要神经调质系统所提供的动态增益调节，也需要充足的代谢资源支持大尺度信息整合。与此同时，与识别成绩有关的网络再现还对应于μ-阿片、代谢型谷氨酸等，它们可能参与调节唤醒、情感价值与突触可塑性。
图4. 网络模式相似性所反映的项目特异性表征，与多类神经调质受体及线粒体生物能图谱呈空间对应。
4. 局部再现与网络再现：彼此联系，但不可相互替代
传统研究通常使用激活模式相似性（activation pattern similarity，APS）衡量单个脑区内部的神经再现。本研究将APS与NPS放入同一分析框架后发现，两者在许多区域呈正相关，说明局部表征与跨区域协调并非相互割裂。中介分析进一步显示，在默认模式网络等高阶记忆相关区域中，NPS部分中介了APS与识别成绩之间的关系。这意味着，局部脑区中恢复的信息可能需要被嵌入稳定的跨区域通信模式，才能有效支持识别。
但NPS并不是APS的简单重复。NPS表征广泛分布于全脑，而APS效应相对局限；在同时预测识别成绩时，两者均能解释独立的行为差异。二者的生物学对应关系也不同：NPS更多对应大尺度神经调质和能量代谢系统，APS则更多对应局部基因表达、细胞与皮层结构特征。
这些证据共同说明，记忆再现既包含脑区内部活动模式的“局部重放”，也包含脑区之间关系模式的“全脑重组”；二者相互作用，并以互补方式支持成功识别。
图5. 网络再现中介局部激活再现与识别成绩的关系，同时两类表征对记忆具有相对独立的预测贡献。
综上，该研究从方法和理论两个层面拓展了神经再现研究。方法上，研究建立了由单试次激活图构建大尺度动态脑网络的分析框架，使研究者能够在全脑、子系统和区域三个尺度上刻画网络层面的项目特异性表征。理论上，研究提供了识别记忆中网络水平神经再现的证据，表明记住一段经历不仅需要局部活动模式重新出现，还需要感觉、注意、控制与记忆相关系统重新形成稳定而独特的协同构型。
该研究也存在若干局限。首先，NSD虽然为每名参与者提供了大量刺激和重复测量，但参与者数量较少，结论仍需在更大且更多样化的样本中复现。其次，连续识别任务聚焦自然场景图片，且不能区分回想与熟悉感，因此网络再现是否同样适用于联系记忆以及决策和执行控制等其他认知过程仍待检验。再次，受体、基因和代谢图谱分析反映的是空间对应而非机制性证据；APS与NPS的中介关系也不能确立因果方向。未来可结合个体水平正电子发射断层成像、代谢成像、纵向研究和药理学干预，检验神经调质与能量代谢系统是否直接参与网络再现，并进一步厘清局部表征与全脑协调之间的动态因果关系。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2603685123
文章来源：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=1b784a9d13a824ef7f71a2a9eda135a2