猕猴顶叶和前额叶皮层对数量识别记忆的神经元编码机制

研究人员针对灵长类动物如何从连续输入的数字信息中识别目标数量这一认知难题，通过记录猕猴腹侧顶内沟皮层(VIP)和外侧前额叶皮层(PFC)的单神经元活动，揭示了PFC通过选择性增强目标数量表征和维持调谐稳定性来支持数量识别记忆，而VIP仅短暂编码显示数量。该研究首次阐明了抽象数量类别识别记忆的神经机制，为高级认知功能的皮层分工提供了新证据。

　　

在自然界中，动物需要频繁识别重要物体的数量——无论是判断树上的果实数量，还是评估掠食者的群体规模。这种对抽象数量类别的识别能力被称为数量识别记忆，是显性记忆的关键组成部分。尽管科学家已对任意感官刺激的识别记忆有深入研究，但对抽象数量类别的神经机制却知之甚少。这种认知能力对人类日常生活至关重要，例如记住商品价格或准确配药剂量。传统研究多聚焦于感觉皮层的重复抑制现象，即神经元对重复刺激的反应减弱，但数量作为有序排列的抽象类别，其识别记忆必然依赖独特的神经编码策略。

德国图宾根大学的研究团队通过训练两只猕猴完成改良版延迟数量匹配任务，同步记录VIP和PFC的神经元活动。研究发现PFC神经元能长期保持对目标数量的选择性调谐，并通过"匹配增强效应"强化目标表征；而VIP神经元对所有数量均呈现快速衰减的调谐，无法区分目标与干扰数量。这项发表于《Progress in Neurobiology》的研究首次揭示了数量识别记忆的皮层分工机制。

研究采用改良延迟匹配任务训练猕猴识别1-4个点的目标数量，期间穿插1-5个点的干扰刺激。通过植入式电极阵列同步记录VIP和PFC的372和509个神经元，采用滑动窗口ω²
PEV分析和支持向量机(SVM)解码技术，结合高斯调谐曲线拟合和交叉验证，系统比较了两脑区在样本呈现、干扰刺激和目标匹配阶段的编码特性。

在行为学表现方面，两只猕猴的识别准确率显著高于25%的随机水平(61.32%和60.95%)，且表现出典型的数值距离效应——相邻数量更易混淆。神经生理学分析显示，PFC神经元在样本呈现后124ms产生响应，显著慢于VIP的111ms，印证了VIP在加工层级中的早期地位。

关键发现之一是PFC神经元对目标数量的调谐稳定性。当测试阶段出现匹配数量时，PFC神经元的调谐宽度(σ=1.45)与样本期(σ=1.24)无显著差异，而面对干扰数量时调谐显著拓宽(σ=2.01)。VIP神经元则对所有测试数量均呈现调谐退化(匹配σ=2.35，非匹配σ=2.58)。SVM解码显示PFC对匹配数量的解码准确率(42%)显著高于VIP(37%)，且仅PFC能维持解码优势至第三测试阶段。

机制分析发现PFC存在独特的"匹配增强效应"——31个神经元对重复目标数量的放电增强(指数0.23 vs 随机0.13)，而VIP无此效应。相反，匹配抑制效应(37个PFC和20个VIP神经元)在两脑区均存在。群体PEV分析进一步证实，PFC神经元能持续区分匹配与非匹配信息(ω²
=0.26 vs 0.17)，而VIP仅短暂编码匹配信息。

讨论部分强调，该研究揭示了前额叶皮层作为"数量搜索模板"的独特功能：通过维持目标数量的选择性调谐，同时抑制干扰数量的表征，PFC实现了对抽象数量类别的识别记忆。相比之下，VIP仅负责数量的早期编码，无法维持行为相关的信息。这种功能分离与已知的解剖连接一致——VIP的快速响应为PFC提供初始输入，而PFC通过自上而下的控制优化识别过程。

该发现对理解数学认知障碍的神经基础具有重要意义。研究提出的"调谐稳定性-行为相关性"模型为解释数量加工障碍提供了新框架，未来可拓展至符号数字和算术运算的神经机制研究。结合近期人类颅内记录发现，海马-前额叶环路可能在更复杂的数学记忆中发挥协同作用，这为构建完整的数量认知神经模型指明了方向。