腹侧纹状体与尾状核对情景提取的贡献

《Neuropsychologia》：Ventral striatal and caudate contributions to episodic retrieval

　　

摘要

情景记忆提取过程中的纹状体活动是一种在不同刺激类型和实验范式中被反复观察到的稳健现象。先前的研究表明，腹侧纹状体和尾状核在提取过程中发挥着不同的作用：腹侧纹状体活动被认为随成功提取的内在奖赏而变化，而尾状核活动则归因于费力的认知控制。本研究利用功能磁共振成像（fMRI）技术，旨在检验一个总体假设——纹状体的不同亚区对情景提取的贡献各不相同，并进一步阐明其具体功能角色。为此，我们采用了一种词-图配对关联学习范式，其中词语在两次间隔24小时依次进行的提示回忆测验中充当线索。参与者报告其关联记忆的具体程度，从而得以刻画纹状体反应轮廓随关联记忆具体程度的变化模式，并将记忆具体程度作为提取成功所伴随内在奖赏的代理指标。研究结果与尾状核在提取后费力的控制中发挥作用这一观点并不完全吻合，而是表明成功回忆期间尾状核活动的升高反映了提取前的控制或对显著记忆信息的非自愿定向。相比之下，腹侧纹状体活动并非反映内在奖赏本身，而是随提取结果所引发的期望奖赏与实际内在奖赏之间的偏差而变化——即一种元认知奖赏预测误差。此外，腹侧纹状体还标志着所提取信息的相关性，并调节其再编码以促进未来的提取。

引言

情景记忆依赖于多个脑系统之间的交互作用，从由海马及其周围内侧颞叶皮层执行的关键计算（Dickerson和Eichenbaum, 2010; Fernandez等, 2024; Squire等, 2004; Theves等, 2024），到多个服务于认知控制、注意和决策过程的前额-顶叶网络（Nyhus和Badre, 2015; Rugg, 2024）。在皮层下层面，纹状体结构除了执行支持基于价值的决策制定以及习惯的形成与表达的计算外（Averbeck和O'Doherty, 2022; Glimcher, 2014），还对情景记忆有所贡献，证据包括：(a) 纹状体功能障碍患者在基于提取的再认记忆和回忆方面表现出轻度的损害（Cohn等, 2010; Edelstyn等, 2015; Pitarque等, 2017）；以及(b) 纹状体活动存在于跨越不同范式和刺激类型的情景记忆提取过程中（Kim, 2013; Spaniol等, 2009）。例如，fMRI研究显示，在旧/新再认测验中，当被试将某项目识别为"旧"时，纹状体活动大于将其知觉为"新"时（Henson等, 2005）；此外，在提示回忆中，成功提取关联信息相较于提取失败会引发更大的纹状体活动（Gilmore等, 2018）。由于纹状体由执行不同计算的多个亚区组成（Grahn等, 2008; Haber和Knutson, 2010），纹状体反复与情景记忆产生关联这一事实，引发了关于特定纹状体结构在情景记忆中发挥作用的基本问题。

成功的情景提取往往与个体的目标相一致，因为对过去事件的知识不仅对生存至关重要，对学业、健康、社交和经济成功也同样不可或缺。鉴于目标导向记忆的价值，有研究者假设，提取过程中的纹状体活动可能与回忆情景信息所伴随的内在奖赏有关联（Elward等, 2015; Han等, 2010）。支持这一假设的是，我们此前报告称，即使没有外部反馈，参与者也会发现，无论准确性如何（即无论是击中还是虚报），将某项目知觉为"旧"在主观上比将其拒绝为"新"更为愉快（Schwarze等, 2013）。重要的是，这种与提取相关的主观愉悦感与腹侧纹状体活动强度呈正相关（Clos等, 2015），这与成功提取引发腹侧纹状体价值信号、进而产生正面情感的预期一致。此外，我们观察到，当参与者被要求做出旧/新判断时，处理旧项目时腹侧纹状体活动升高，但被要求做出室内/室外判断时则不会升高，这为提取相关的腹侧纹状体活动的目标依赖性提供了进一步证据（Herweg等, 2017）。

先前的研究还表明尾状核在情景提取中也发挥着作用。首先，尾状核头部活动与项目的"旧感"知觉相关，而与准确性无关，即击中率和虚报率下的活动均大于正确拒绝和遗漏（Clos等, 2015）。关键的是，与腹侧纹状体不同，这种活动与识别某项目为"旧"的主观愉悦感无关，因此似乎反映了与腹侧纹状体所服务过程独立的一种过程。其次，在我们比较旧/新判断与室内/室外判断的研究中，尾状核头部活动随提取模式而变化，在情景记忆判断中总体高于知觉分类判断，并且表现出与腹侧纹状体相似的旧/新效应（Herweg等, 2017）。第三，补充这些观察的是，King等人（2018）报告称，在基于提取和基于熟悉度的再认中（与正确拒绝相比），尾状核活动均更大，而腹侧纹状体活动仅对提取项目增加。King及其同事认为，尾状核活动反映了认知控制的增加，即每当检测到熟悉项目并启动费力搜索过程以试图恢复定性（即提取的）记忆信息时都会出现，无论提取尝试是否成功。与此解释或许一致的是，其他人认为，将某项目识别为"旧"通常涉及更多的提取后监控，这对认知控制提出了更高的要求（Achim和Lepage, 2005）。最后，鉴于恢复特定的情景背景细节所需的认知控制多于仅仅表明提取的发生，其他人基于在客观来源记忆判断中活动大于主观提取/知道判断的发现，进一步将尾状核归因于在提取过程中承担认知控制（Scimeca和Badre, 2012; Spaniol等, 2009）。

综合来看，现有研究表明，腹侧纹状体活动标志着回忆过去事件的内在价值，而尾状核活动则随支持费力记忆搜索和/或提取后监控的认知控制过程而变化，这一分离此前被概括为纹状体活动的目标依赖性与提取依赖性之间的区分（Han等, 2010）。

提取过程中的纹状体活动，尤其是伏隔核（NAcc）的活动，还被认为能够调节所提取信息的再编码，考虑到中脑边缘多巴胺通路与海马之间的连接（Lisman和Grace, 2005; Scimeca和Badre, 2012; Shohamy和Adcock, 2010）。根据"提取作为适应性编码"假设（Scimeca和Badre, 2012），成功提取引发纹状体活动，表明所恢复的信息在未来可能再次相关，从而值得对其进行再编码。支持这一假设的是，两项fMRI研究在考察"提取练习"效应时发现，在关联提取期间（与重新学习先前遇到的关联信息相比），尾状核头部活动更大，其中一个激活聚类位于伏隔核边界处（Van Den Broek等, 2013; Vannest等, 2012）。然而，这些研究并未考察提取练习期间的纹状体活动是否能预测在第二次、较晚的记忆测验中对所提取刺激的后继记忆，因此无法回答提取相关的尾状核活动是否调节再编码。此外，现有考察提取练习对后续记忆表现影响的fMRI研究均未将纹状体纳入分析感兴趣区域，因此可能遗漏了细微但具有意义的提取相关编码效应（例如Buckner等, 2001; Nelson等, 2013; Wing等, 2013）。因此，据我们所知，目前尚无直接实验证据支持纹状体提取活动与所提取信息成功再编码之间的关联（Scimeca和Badre, 2012）。

最后，除了标志着内在奖赏、与提取和/或提取后认知控制需求相关以及可能影响再编码之外，其他数据还提出了一种可能性，即提取过程中的纹状体计算还与预测误差和模型更新有关，后者用于调整对未来提取状态的预测（Scimeca等, 2016）。在Scimeca等（2016）的研究中，参与者在报告对当前旧/新判断的信心后接收到有偏反馈。预测误差由记忆强度（即信心）与外部显式反馈之间的逐次差异计算得出，与纹状体活动相关并引发了反应标准的调整。基于这一观察进行推广，我们在此假设，即使在没有外部反馈的情况下，纹状体预测误差也可能被计算，因为提取成功体验为内在奖赏（Clos等, 2015; Schwarze等, 2013）。具体而言，某次提取过程中的腹侧纹状体活动可能与期望回忆可能性与该次提取结果之间的偏差相关，这进而驱动参与者对近期提取成功可能性的期望更新。从这个视角来看，个体基于近期的提取历史形成预测，并调整对未来提取是否可能成功的期望。期望与实际提取成功之间的差异可能产生一种元认知奖赏预测误差（mRPE）——一种内在奖赏预测误差，在腹侧纹状体中计算，类似于强化学习中的奖赏预测误差（Garrison等, 2013）。这些mRPE可能用于更新参与者对未来提取成功可能性的期望。

综上所述，提取期间伏隔核和尾状核的活动可能反映不同的过程（Grahn等, 2008; Haber和Knutson, 2010）。尾状核可能参与提取行为中的认知控制需求，而伏隔核可能与提取结果所引发的内在奖赏相关。此外，我们提出伏隔核可能在提取过程中计算mRPE，后者源于对提取成功的预测与实际提取结果之间的比较；mRPE可能使个体在缺乏外部反馈的情况下更新其期望。最后，伏隔核活动可能有助于所提取信息的再编码，可能强化那些未来可能再次相关的记忆痕迹。

本fMRI研究旨在检验一个总体假设——伏隔核和尾状核以不同方式对记忆提取作出贡献，并进一步刻画这些区域的具体角色。我们采用了一种词-图配对关联学习范式，其中词语在两次连续进行的提示回忆测验中充当线索。关联图片描绘了名人面孔（男性和女性）和名场景（人造和自然景观）。该范式改编自先前的研究（Clos等, 2019a），并进行了修改以增强检测第一次/第二次测验后继记忆效应以及提示回忆中mRPE神经相关物的灵敏度（详见方法部分）。在我们先前的研究中，成功的提示回忆与伏隔核和尾状核活动的显著升高相关。

我们选择提示回忆而非再认，不仅因为提取练习效应在回忆中比再认更为显著（Rowland, 2014），还因为检验mRPE假设受益于一种预期提取成功仅基于内部记忆强度预测的范式，而非像再认任务那样依赖于目标和诱饵的相对位置。在每次提取测验的每个试次中，参与者报告其关联记忆的具体程度——例如，他们是否回忆出确切的名人，还是仅仅想起关联物是一个人而非场景（如Kuhl等, 2011）。这种记忆具体程度的分级测量使我们得以：(i) 刻画伏隔核和尾状核随关联记忆具体程度变化的反应轮廓；(ii) 将记忆具体程度作为提取结果所引发内在奖赏的代理指标——类似于Daniel和Pollmann（2012）在类别学习研究中使用信心评级的做法；以及(iii) 评估被具体回忆的关联（可能标志着未来相关性）是否更有可能被成功再编码（"提取作为适应性编码"假设；Scimeca和Badre, 2012）。最后，我们使用瞳孔测量法作为衡量费力认知控制的补充生理指标（Grueschow等, 2020; Van Der Wel和Van Steenbergen, 2018），因为我们此前观察到，在再认任务中以及一般性的记忆判断过程中，旧反应比新反应表现出更大的瞳孔扩张反应（PDR），且记忆判断的瞳孔扩张大于刺激分类（Herweg等, 2017）。

片段摘录

参与者

22名参与者（14名女性，年龄18至35岁）通过汉堡大学网站招募。由于数据丢失，排除了一名参与者。

所有参与者均为右利手，视力正常或矫正至正常，并通过一般问卷确认无精神疾病史、无非法药物使用史，也无中枢神经系统药物使用史。参与者提供了书面知情同意书，并获得相应金钱报酬。检索成功分析：第1天检索在第1天检索成功分析中，我们检验了在第1天各种关联回忆特异性水平（即特定性回忆、类别性回忆和遗忘的关联）的比例是否存在差异，以及回忆的正确性在不同特异性水平之间是否存在差异。由于参与者通过按键作答，第1天关联记忆回忆的正确性只能在类别水平上进行验证（Gagnon等，2019；Heinbockel等讨论在所观察到的纹状体NAcc核和尾状核的活动模式中，支持了以下总体假设：在大脑记忆检索过程中，纹状体内部至少有两种不同的过程在运作（Clos等，2015，2019b；King等，2018）。尾状核的活动随着关联记忆特异性的提高而逐渐增加，而NAcc则呈现出阶梯式的反应模式——当关联以高度特异性被回忆时，NAcc的活动选择性增强，而相较于低特异性回忆或遗忘情况则较弱。作者贡献声明Tobias Sommer：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写，可视化，软件，方法论，调查研究，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。Anne Bierbrauer：撰写—审阅与编辑，方法论。Matthias Gamer：撰写—审阅与编辑，方法论。Anthony D. Wagner：撰写—审阅与编辑，监督，方法论，概念构思。伦理声明所有参与者或其法定代理人均已提供参与本研究和发表本文的书面知情同意书，并遵守了参与者的隐私权。本研究在研究所在地的相关法律法规、监管框架和指导方针的框架内开展。本研究已获汉堡医学会伦理委员会批准（批准编号：PV3598）。数据声明数据将在论文被接受后在开放科学框架上发布（数据创建后添加DOI或URL）。Tobias Sommer | Anne Bierbrauer | Matthias Gamer | Anthony D. Wagner德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心系统神经科学研究所