认知负荷下视听工作记忆的神经结构基础与视觉优势效应研究

本研究针对视听工作记忆（WM）的结构性神经关联尚未明确的问题，通过采用视听双n-back任务范式与基于体素的形态测量学（VBM）技术，揭示了60名健康个体灰质体积（GMV）与行为表现间的关联。研究发现高认知负荷下存在显著的视觉优势效应：视觉表现稳定而听觉表现下降；结构分析显示模态特异的GMV关联模式，并发现左楔叶在跨模态资源分配中的关键作用。该研究为针对性认知训练和临床干预提供了结构标记物，对理解多感官认知处理的神经机制具有重要意义。

　　

在日常生活中，我们经常需要同时处理来自视觉和听觉的信息，比如在嘈杂的环境中边看导航边听指令。这种同时处理多感官信息的能力，被称为视听工作记忆（Audiovisual Working Memory），它是人类高级认知功能的重要组成部分。然而，尽管Baddeley的工作记忆模型早已提出存在专门处理听觉和视觉信息的子系统，但关于视听工作记忆背后的神经结构基础，尤其是大脑中哪些区域的灰质体积与这种能力相关，科学家们仍知之甚少。

更令人困惑的是，大量行为研究发现，当认知任务变得困难时，人们往往表现出"视觉优势效应"（Visual Dominance Effect）——即视觉信息的处理能力似乎比听觉更稳定、更强大。这种现象在复杂的认知任务中尤其明显，但它在工作记忆领域的神经机制却尚未被深入探索。另一方面，目前大多数相关研究使用的是简单的延迟匹配任务，这些任务容易产生"天花板效应"，无法真实反映现实世界中的认知需求。而临床上常用的双n-back任务范式，虽然被广泛应用于认知训练和干预（特别是在精神分裂症、抑郁症、注意缺陷多动障碍等患者中），但其结构性神经基础却很不清楚。

为了解决这些重要问题，电子科技大学的李凌教授团队开展了一项创新性研究，他们将视听双n-back任务与先进的脑成像分析技术相结合，旨在探索视听工作记忆的结构神经关联，特别是要找出那些更适合推广到临床脑干预治疗的参考脑区。

研究人员招募了74名健康参与者，最终60人的数据被纳入分析。他们使用改进版的Jaeggi范式，让参与者同时完成视觉和听觉n-back任务。视觉任务中，蓝色方块会出现在8个可能位置中的一个；听觉任务中，会通过耳机播放8个辅音字母中的一个。两种刺激同时呈现，参与者需要同时判断当前刺激是否与2-back或4-back前的刺激匹配。

研究采用3.0T GE Sigma扫描仪采集高分辨率T1加权结构像，然后使用统计参数图工具箱（SPM12）和计算解剖学工具箱（CAT12）进行预处理，包括视觉检查、灰质/白质/脑脊液分割、配准、标准化到蒙特利尔神经学研究所（MNI）空间、空间平滑以及估计全脑颅内体积（TIV）。最后通过多元回归分析探究脑区灰质体积（GMV）与参与者行为表现的相关性，控制年龄、性别和TIV作为非兴趣协变量。

行为结果揭示视觉优势效应

研究发现，在d prime（辨别敏感性）指标上，认知负荷（2-back vs. 4-back）主效应显著，但目标模态（视觉 vs. 听觉）主效应不显著。然而，负荷与模态间的交互作用非常显著：事后检验发现，在4-back条件下，参与者对视觉目标的敏感性显著高于听觉目标。反应时（RT）则没有发现显著主效应或交互效应。

进一步分析2-back-4-back的差异发现，视觉目标和听觉目标在Δd prime上存在显著差异，但在ΔRT上没有显著差异。这表明当认知负荷增加时，听觉性能下降得更明显，而视觉性能保持相对稳定，证实了高认知负荷下的视觉优势效应。

2-back条件下行为与脑结构的关联

对于视觉目标，d prime与右侧岛叶、左侧岛叶、左侧额下回、左侧后扣带回、右侧海马和左侧Heschl回（初级听觉皮层）的GMV呈正相关，而与左侧小脑的GMV呈负相关。对于听觉目标，d prime与左侧额上回、左侧角回和左侧枕中回的GMV呈负相关。

在反应时方面，视觉目标的RT与右侧额中回的GMV呈正相关，与左侧颞中回、左侧顶下回（缘上回和角回）、右侧额下回和左侧楔叶的GMV呈负相关。听觉目标的RT仅与左侧楔前叶的GMV呈负相关。

4-back条件下行为与脑结构的关联

在更高的认知负荷下，脑区与行为表现的关联模式发生了明显变化。对于视觉目标，d prime仅与右侧额下回的GMV呈负相关。对于听觉目标，d prime与右侧角回和左侧枕下回的GMV呈负相关。

在反应时方面，视觉目标的RT与左侧中央前回的GMV呈正相关，与右侧梭状回和左侧额下回的GMV呈负相关。听觉目标的RT与右侧中央前回和右侧中央后回的GMV呈正相关，与左侧楔叶和左侧顶下回的GMV呈负相关。

楔叶在视听工作记忆中的关键作用

一个特别重要的发现是，在4-back条件下，视觉与听觉d prime的差值（Δd prime）与左侧楔叶的GMV呈显著正相关。这表明楔叶可能在跨模态资源分配中扮演重要角色，尤其是在高认知负荷下调节视觉优势效应。

2-back-4-back差异与脑结构的关联

分析还发现，视觉目标的Δd prime（2-back d prime - 4-back d prime）与左侧颞中回的GMV呈正相关，而听觉目标的Δd prime与左侧枕下回的GMV呈正相关。在反应时差异方面，视觉目标的ΔRT与左侧额下回和右侧梭状回的GMV呈正相关，与左侧中央前回、左侧顶上回、右侧旁中央小叶、右侧额下回和右侧颞中回的GMV呈负相关。听觉目标的ΔRT与右侧颞中回、右侧额上回、左侧角回和左侧颞上回的GMV呈负相关。

不同脑叶在视听工作记忆中的参与程度

通过量化与视觉和听觉性能相关的体素数量，研究发现视觉任务涉及的体素数量明显多于听觉任务，占总体的82.81%。在视觉工作记忆中，左额叶贡献的体素最多，占视觉贡献的42.54%和总贡献的35.96%。与视觉任务相比，左顶叶与听觉任务的结构相关性更大。研究还发现视觉任务比听觉任务更依赖左半球。

这项研究通过整合结构特征与行为表现，成功识别出了与视听工作记忆性能和认知负荷相关的关键脑区。研究发现不仅证实了高认知负荷下的视觉优势效应，还揭示了认知负荷对结构-行为关联的调节作用——认知超载似乎破坏了在低负荷下观察到的结构-行为关联，突出了执行控制和感觉整合区域内的负荷依赖性分离。

特别重要的是，研究发现左侧楔叶与高负荷下的视觉-听觉差异（Δd prime）呈强正相关，表明它可能在跨模态资源分配中发挥潜在作用。楔叶可能作为一个资源分配器，在刺激出现前进行预期分配，然后在初级感觉皮层进行基本处理后参与分配认知资源。由于其与前方的背外侧前额叶皮层和后方的距状裂的解剖连接，以及它与背侧注意网络的功能连接，楔叶可能特别倾向于优先处理视觉信息，尤其是在认知资源有限的高负荷条件下。

这些发现强调了支持视听工作记忆的独特解剖基质和视觉优势的神经基础，为针对性的认知训练和临床干预提供了重要的结构标记物。对于理解多感官认知处理的神经机制，以及开发针对工作记忆缺陷患者（如精神分裂症、抑郁症、注意缺陷多动障碍等）的干预措施都具有重要意义。

该研究于2025年发表在《Scientific Reports》期刊上，为视听工作记忆领域提供了新的结构神经科学见解，并为未来的临床脑干预应用提供了宝贵参考。