《Progress in Neurobiology》：Direct encoding of new visual concepts in early visual cortex
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新皮层（neocortex）的架构适于存储大量信息（Brunel, 2016）。尤其在陈述性记忆（declarative memory）方面，标准系统巩固理论（standard systems consolidation accounts）一直认为新皮层是一个
新皮层（neocortex）的架构适于存储大量信息（Brunel, 2016）。尤其在陈述性记忆（declarative memory）方面，标准系统巩固理论（standard systems consolidation accounts）一直认为新皮层是一个慢学习系统，与快速学习的海马体（hippocampus）互补（McClelland et al., 1995）。据此，新皮层被认为需要时间和多次重复才能建立记忆痕迹；这些重复被认为源于离线状态（如睡眠）下海马对详细的、情节性记忆（episodic memories）的自发重放（Brodt et al., 2023; Frankland and Bontempi, 2005）。基于标准模型，研究者提出，随着时间和经验的积累，“语义化”（semanticization）会形成更泛化、更抽象的表征，并伴随海马依赖性情节细节的丢失（Kumaran and McClelland, 2012; Moscovitch et al., 2016）。
陈述性记忆巩固理论中由单个情节发展出语义记忆的过程与类别学习（category learning）明显重叠（Moscovitch and Gilboa, 2022）。类别学习研究的是反复接触单个样例如何产生抽象类别表征（Ashby and Maddox, 2005）。这两条研究路径都认为前海马/前颞叶与内侧前额叶皮层之间的交互在提取跨经验共同结构和支持泛化知识中发挥作用（Gilboa and Moscovitch, 2021; Mack et al., 2020; Sucevic and Schapiro, 2023; Tompary and Davachi, 2017）。此外，这两种观点也都涉及后部联合区（posterior association regions）（Binder and Desai, 2011; Gilboa and Moscovitch, 2021; Mack et al., 2013; Ralph et al., 2017）。
然而，互补记忆系统和系统记忆巩固的框架近来已在多个重要方面受到挑战（Gilboa and Moscovitch, 2021; Moscovitch and Gilboa, 2022; Renoult et al., 2019）。最重要的是，独立的新皮层记忆痕迹可以比先前假设的快得多地建立。动物研究表明，光遗传学再激活新皮层印记细胞可在24小时内建立海马独立性（Cowansage et al., 2014; de Sousa et al., 2019）。在人类中，快速新皮层记忆形成的证据来自重复学习新异联想（如单词、颜色、物体或位置之间）的研究（Brodt et al., 2018; Brodt et al., 2016; Flanagin et al., 2023; Himmer et al., 2019）。在这些研究中，学习在单次会话内就引发了新皮层记忆网络的持久变化，类似于以往认为只有在系统巩固的数日或数周内才会出现的情况（Moscovitch et al., 2016）。研究人员此前利用弥散加权MRI（diffusion-weighted MRI, dMRI）显示，学习过程中内侧后顶叶皮层（medial posterior parietal cortex, mPPC）会快速形成新皮层印记，这反映了微结构可塑性（Brodt et al., 2018）。然而，目前尚不清楚新皮层能够快速习得哪些类型记忆。以往研究使用的记忆任务涉及已知项目之间的新异联想（如将已知物体或人物的词语或图像关联起来）（Sommer, 2017; van Kesteren et al., 2013; van Kesteren et al., 2010）、将新异位置整合入空间图式（Tse et al., 2007; Tse et al., 2011）或快速映射（fast mapping）（Coutanche and Thompson-Schill, 2014; Merhav et al., 2015; Sharon et al., 2011）。除通过重复和重复提取进行再激活外（Antony et al., 2017; Brodt and Gais, 2020），先前知识也被认为能促进新异元素快速整合进已有新皮层记忆网络（Concina et al., 2022; Hebscher et al., 2019b; Sekeres et al., 2024; Tse et al., 2011）。检验与先前知识无意义关联的新异信息是否也能被新皮层快速学习，是本研究的第一个目标。
当前记忆系统框架面临的另一个挑战是，近期证据表明，记忆编码并非顺序的系统巩固过程，详细表征和泛化表征可在不同记忆系统中平行编码，两者都可涉及新皮层区域（Cowansage et al., 2014; Gilboa and Moscovitch, 2021）。这将尤其影响对语义记忆的理解，因为传统上认为语义记忆是通过海马表征的反复再激活在新皮层逐步形成的（Gilboa and Moscovitch, 2021; Krenz et al., 2023; Navarro Lobato et al., 2023）。若新皮层可平行编码，概念形成就可能直接发生在新皮层内，可能包括模态特异性感觉区和高阶整合区（Binder and Desai, 2011; Bracci and Op de Beeck, 2016; Goltstein et al., 2021; Popham et al., 2021; Yee and Thompson-Schill, 2016）。需要注意的是，研究人员引用Gilboa和Marlatte（Gilboa and Marlatte, 2017）的定义，将概念（concept）视为“表示属于某一特定类别的项目或实体类别的心理表征”。研究人员在此特别检验了详细记忆和概念记忆是否都能直接编码进新皮层，并假设这两种记忆在时间进程和记忆网络的空间招募上存在差异。
因此，本研究考察了快速新皮层学习是否可能同时发生于新异概念和新异详细项目-情境记忆。为了考察在缺乏相关先前知识的情况下这些记忆能否在新皮层中快速建立，研究人员使用多模态MRI追踪了人类受试者在24小时内对完全新异的抽象视觉刺激记忆的演化过程（图1A）。两组受试者（Ntotal=80）观看了相同的视觉刺激——在不同行星（情境）前方的团块状彩色“外星人”（项目）。一组受试者被要求记住个别项目-情境组合（细节组），另一组（概念组）被要求记住并识别具有相似形状和颜色的外星人家族（类别）（图1B）。类别学习任务侧重于隐式提取相似性，避免显式规则学习。值得注意的是，仅需同类别项目遭遇数次即可推断出类别。在整个编码任务中，两组均根据各自编码目标做出基于记忆的旧/新判断。24小时后，分别在分类任务和再认任务中评估类别知识和项目-情境组合记忆，两项任务对两组完全相同。
为评估学习诱导的脑可塑性，研究人员结合使用功能性MRI和弥散加权MRI，此前已被证明可检测快速新皮层印记形成（Brodt et al., 2018）。微结构可塑性通过平均弥散率（mean diffusivity, MD）变化来测量，该指标反映体素内水弥散受阻或受限程度的变化。研究人员使用神经突方向离散度与密度成像（Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging, NODDI）——一种双物理弥散模型，可分解脑脊液、神经突和胞体相对贡献——来探究这些变化的来源（Zhang et al., 2012）。
一、研究背景与问题
传统记忆巩固理论认为，新皮层（neocortex）是一个缓慢的学习系统，依赖于海马（hippocampus）在离线状态（如睡眠）下的自发重放来逐步形成持久记忆痕迹，而语义化（semanticization）和类别学习均被视为从个别情节中缓慢抽象出泛化知识的过程。然而，近年的动物和人类研究对这一框架提出挑战：新皮层可以比先前假设快得多地建立独立记忆痕迹；且详细表征与泛化表征可能在不同记忆系统中平行编码。尽管如此，此前的快速新皮层学习研究大多依赖已知项目间的新异联想或先前知识图式，尚不清楚完全新颖的、不与已有知识意义关联的信息能否被新皮层快速编码，也不清楚概念性记忆与详细情节性记忆是否能在新皮层不同位点直接形成。为回答这一问题，研究人员设计了本研究。
二、研究概述与结论
研究人员招募80名健康受试者（另有一名受试者因仅参与第一天实验被排除），随机分为概念组（n=40）和细节组（n=40）。所有受试者观看完全新颖的抽象视觉刺激——团块状彩色“外星人”（项目）配以不同行星背景（情境）。概念组被要求记住并识别外星人的“家族”（类别），细节组被要求记住个别项目-情境组合。24小时后，两组接受相同的分类任务和项目-情境再认任务。研究结合功能性磁共振成像（fMRI）与弥散加权磁共振成像（dMRI），在编码前（t0）、编码后1小时（t1）及24小时后（t2）采集弥散数据。结果发现，概念组在早期视觉皮层（V2为主，向腹侧延伸至V1-V3、背侧延伸至V1-V3和V6）出现随类别重复次数线性增强的功能活动，并在24小时后保持稳定；该活动与次日分类成绩正相关，与情境记忆成绩负相关。同时，该区域伴随平均弥散率（MD）下降和脑组织体积分数（1-FWF）增加，提示微结构可塑性。细节组则在 medial posterior parietal cortex（mPPC），特别是楔前叶（precuneus）区域，在相同或相同项目第二次呈现时即出现快速且稳定的功能活动增强，该活动与次日情境再认成绩正相关，并在相同区域伴随MD下降和1-FWF增加。两组在编码任务中总体准确率无差异，但概念组正确分类新样例题目的成绩显著优于细节组，而细节组对项目-情境组合的再认成绩显著优于概念组。
这一结果表明，新皮层能够在缺乏先前知识或图式的情况下，在同一会话内快速形成概念性记忆和详细情节性记忆的持久痕迹；且两类记忆被编码到不同的新皮层位点——概念记忆位于早期视觉皮层，详细情境记忆位于mPPC。这对传统互补学习系统（complementary learning systems）的序列巩固观点构成重要挑战，支持语义记忆和情节记忆可以平行直接编码进新皮层的理论。
三、关键技术方法
研究使用了多模态磁共振成像技术。功能性磁共振成像（fMRI）用于测量编码和再认任务中的血氧水平依赖（BOLD）信号变化。弥散加权成像（dMRI）用于计算平均弥散率（MD），以评估学习诱导的微结构可塑性；进一步采用神经突方向离散度与密度成像（NODDI）将弥散信号分解为脑脊液（CSF）、细胞内（神经突）和细胞外（胞体）三个隔室，得到自由水分数（FWF，组织体积分数为1-FWF）、神经突密度指数（NDI）和方向离散度指数（ODI）。多变量模式相似性分析（representational similarity analysis, RSA）用于追踪单个样例活动模式与类别平均模式之间相似性的动态变化。受试者队列为80名健康右利手受试者（概念组40人、细节组40人），数据采集在德国图宾根马克斯·普朗克生物控制论研究所的3T Magnetom Prisma扫描仪上进行，使用64通道头线圈；功能像采用多波段EPI序列，弥散像采用多壳采集（b值1000和2500 s/mm2），并采用HCP最小预处理流程进行标准化。
四、研究结果
2.1 不同编码目标诱导相同刺激的概念性vs.详细记忆形成
尽管编码指令不同，两组在编码任务中的总体准确率无差异（平均准确率约85%，t78=0.05, p=0.96），主观任务难度感知也无差异。但随着编码进程，概念组准确率逐渐上升（斜率2.69），对应类别证据的积累；细节组准确率逐渐下降（斜率-1.38），对应项目-情境关联数量的增加。24小时后分类任务中，概念组对新异项目分类显著优于细节组（d’concept=1.58 vs d’detail=0.85）；而细节组在项目-情境组合再认中显著优于概念组（正确再认率40.8% vs 29.5%）。
2.2 早期视觉皮层迅速出现类别敏感的功能可塑性
通过计算随类别重复次数线性增加的对比，研究人员发现概念组在视觉皮层（V2峰值）出现显著的功能活动线性增加，而细节组无此效应。概念组对重复类别项目的活动显著高于对首次类别项目和单项目（群体×刺激类型交互F1,78=12.18, p<0.001）。该类别特异性活动与24小时后分类成绩在概念组中显著正相关（r=0.39, p=0.01）。多变量模式相似性分析进一步显示，概念组在枕极（V1）的单个样例与类别平均模式之间的相似性随类别重复线性下降，符合预测编码（predictive coding）框架中自上而下反馈调制增强的解释。
2.3 早期视觉皮层的功能变化稳定存在并伴随微结构可塑性
24小时后的再认任务中，概念组在枕梭状回显示出比细节组更高的任务相关活动，且该簇与编码期的簇部分重叠。该簇中的编码期活动水平与24小时后再次呈现相同刺激时的活动水平在概念组中正相关（r=0.42, p=0.008），但与情境再认成绩负相关（r=-0.34, p=0.03）。dMRI分析显示，t2时概念组在左距状裂皮层（intracalcarine cortex）出现显著的MD下降（t2与t0差异），下降在t1即开始显现。NODDI后验分析显示该簇在概念组中1-FWF增加，而NDI和ODI无显著变化，提示脑组织相对体积增加而非神经突密度或方向离散度的系统性改变。
2.4 mPPC中快速获取新异详细记忆信息
在枕-顶交界处的mPPC，两组均表现为从类别项目第一次到第二次呈现时活动立即增加并保持稳定，该簇在24小时后的再认任务中被重新激活（两组r=0.31, p=0.001）。在细节组中，该再认活动与情境再认成绩正相关（r=0.37, p=0.02），提示mPPC在情节记忆中的特殊作用。细节组对精确项目重复（第二次呈现>第一次呈现）在mPPC显示出显著的编码活动增加，且该簇与细节组在t2时MD下降的区域重叠。细节组的MD下降在t1即已明显（t1-t0=-4.11, p<0.001），并在24小时后持续，同时伴随1-FWF的增加，NDI和ODI无显著组间差异。
五、讨论与结论
讨论部分指出，研究结果显示新皮层能够在单次学习会话内快速形成概念性和详细情节性记忆痕迹，且两种记忆类型定位于不同新皮层区域：概念记忆发生在早期视觉皮层（以V2为峰值并扩展至高阶视觉区），详细情境记忆则位于mPPC的楔前叶（precuneus）。这些变化在24小时后稳定存在，共定位微结构可塑性，并预测相应的行为表现。研究认为，早期视觉皮层不仅能处理基本视觉特征，还能快速形成并存储视觉长期记忆，支持“同一网络既可加工也可存储记忆”的观点。概念在编码过程中通过提取样例间重叠特征直接在感觉加工流内形成，而不必依赖缓慢的从情节记忆中的抽象化过程。mPPC（特别是POS1/2区域）作为视觉空间加工与情节记忆系统的界面，对新异抽象材料的详细情境记忆具有高度敏感性，且能实现单次试次学习。这些发现与图式语义形成的序列式互补学习系统模型难以调和，但支持平行编码模型：记忆系统的划分并非简单的“情节vs语义”或“陈述性vs类别学习”，而是一个经验的各个方面平行编码到对应加工特化神经网络中。关于MD下降的机制，NODDI结果显示组织体积分数增加而神经突密度和方向离散度不变，提示可能涉及神经元和胶质细胞突起及胞体水平的变化，与突触可塑性和长时程增强（LTP）相关的动物研究一致。
研究结论部分翻译如下：研究人员提供了证据表明，新皮层能够快速形成与先前知识无意义关联或未纳入既有图式的概念性和详细视觉信息的记忆表征。相同的视觉经验根据编码信息侧重的不同产生了不同的记忆痕迹：项目-情境细节在mPPC中，概念性视觉相似性在早期视觉皮层中。这种分离难以与假设语义和图式记忆需从海马情节记忆中缓慢抽象序列过程的经典互补学习系统理论相调和，但与提出语义信息直接编码于最适合加工其表征内容相关方面的神经系统的更新模型一致。对于视觉概念而言，该编码位点似乎是早期视觉皮层的感觉加工区。
