处理动态物理对象与空间工作记忆之间的差异性及共享神经资源

《Neuropsychologia》：Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

　　摘要：在人脑中，当人们思考物理世界（如追踪物体、做出预测）或执行各种要求较高的任务（如工作记忆、运动抑制）时，顶叶前部的一些区域会产生反应。本研究通过功能神经成像技术，探讨是否存在相同的神经资源同时支持这两种心理功能。28名成年受试者（平均年龄26.5岁，17名女性，26名右利手）在完成以下任务时接受了功能性磁共振成像扫描：(1)追踪物理物体（而非社会行为体）的动态变化；(2)完成难度较高（而非较低）的空间工作记忆任务。对于每位受试者，我们确定了在各自任务中最为活跃的功能性兴趣区，然后研究这些区域在另一任务中的活跃程度。我们发现了三项证据表明，在空间工作记忆任务中，那些对物理物体更敏感的功能性兴趣区会被激活。首先，那些在处理物理物体时最为活跃的区域，在处理难度较高的空间工作记忆任务时也会表现出同样强的活跃度；其次，在一组区域中表现出较强“难度较高”响应的受试者，在另一组区域中也倾向于表现出较强的“物理物体 vs 社会行为体”响应；第三，那些在“物理物体 vs 社会行为体”功能性兴趣区中表现出较强“难度较高”响应，但在“难度较高”功能性兴趣区中无此类响应的受试者，在空间工作记忆任务中的表现更好。这些发现表明，那些对物理物体而非社会行为体更敏感的顶叶前部区域，还参与了除物理推理之外的其他功能，比如特定的空间处理能力或一般性的注意力要求较高的任务。

引言：每天，我们都会以复杂的方式与物体互动并对其进行思考。我们会堆叠、投掷和捕捉物体，了解它们的质量、材质等属性，甚至在这些物体移出视线后仍能追踪它们并做出预测。一个尚未解决的问题是，这些能力是基于特定的心理资源——即专门用于物理推理的资源，还是基于通用的心理资源——即适用于多种领域的任务资源。为了解决这个问题，一种有效的研究方法是探讨物理推理与通用思维之间的不同或共享的神经机制。本研究采用这种方法，旨在：(1)研究通用注意力需求与物理事件处理背后的神经基础；(2)分析不同区域之间的神经反应关系；(3)探究这些区域的神经反应与同一领域内行为表现之间的关联。当人们感知和思考物理世界的动态变化时，大脑的额叶和顶叶部分区域会产生反应。这些区域在人们进行物理预测、观看关于物理互动的电影或故事、思考物体之间的因果关系时也会活跃。此外，顶叶前部区域还包含与直觉物理学相关的抽象变量信息，如物体质量，以及物体之间的稳定性、包含关系和接触关系等。这些区域还会对令人惊讶的物理事件产生更强烈的反应，同时存储有关未来物理状态的信息，这表明它们在编码物理事件的预测及预测误差方面起着重要作用。婴儿的顶叶前部区域会对机械互动刺激以及物体运动的时空变化产生反应，这说明它们在发育早期就参与了物体的动态处理。那么，那些在物理推理过程中更活跃的脑区具有什么功能呢？一种可能性是，它们参与到了刺激追踪、在工作记忆中保持信息、在多种动作或表征之间进行选择，以及其他许多领域中所需的思维功能。支持这一观点的是，那些需要运动抑制、算术运算、工作记忆及其他形式认知控制的复杂任务，都会激活顶叶前部的某些区域，这些区域有时被称为“多重需求网络”。例如，Osiurak等人（2025）在让受试者完成各种机械推理任务以及瑞文渐进矩阵测试（一种通用流体智力测试）时，发现顶叶前部的多个区域在两种任务中的反应存在群体层面的重叠。通过对个体受试者的更细致分析，也证实了物理推理任务与工作记忆任务之间的神经反应在空间上存在重叠。另一个有说服力的证据来自威廉姆斯综合征的认知特征——这是一种遗传性疾病，患者在物理推理、空间处理和工作记忆方面存在缺陷，但在包括心智理论在内的其他抽象推理任务中表现正常。另一方面，物理推理能力与其他行为能力是可以分离的。研究表明，直觉物理学任务的表现差异——比如判断物体堆的稳定性、预测被遮挡物体的运动轨迹、推断两个相互作用物体的相对质量——与心理旋转、空间和工作记忆任务的表现差异是相互独立的。即便在群体分析中，用于物理推理和注意力需求的神经资源也有一定程度的分离。例如，Osiurak等人（2025）发现，在群体层面分析中，物理推理任务与瑞文矩阵测试在额叶和顶叶区域的反应存在重叠，但他们还发现左侧下顶叶有一个区域，会对从物理预测到工具使用等各种物理相关任务产生反应，而对瑞文矩阵测试则没有反应。在其他研究中，多种工作记忆任务和直觉物理学任务所引发的神经反应的幅度和模式，在同一任务内部更为相似，而不同任务之间的相似度则较低，这表明这两种功能之间存在一定程度的分离。在静止状态下，那些在物理推理时比在工作记忆时更活跃的顶叶前部脑区的神经元，其彼此之间的相关性也高于与其它脑区的相关性，这进一步表明了它们功能的差异性。然而，由于目前还不清楚物理处理和内在注意力的神经基础与这两类功能相关的行为之间究竟存在怎样的联系，因此关于这些重叠或独立的神经反应的本质，仍有许多问题有待解答。在本文中，我们采用了基于个体特定功能性兴趣区的分析方法，研究那些在追踪和预测物理实体（而非社会实体）时更活跃的额叶和顶叶脑区，是否也在难度较高的空间工作记忆任务中更活跃，反之亦然。首先，我们试图验证先前的研究结果，即顶叶前部存在部分不同的神经群，分别负责物理推理和一般注意力需求。随后，我们采用了两种新的方法来进一步研究顶叶前部中这两种功能之间的关系。首先，我们探讨在物理推理过程中神经反应的个体差异，能否预测其在空间工作记忆任务中的神经反应差异；其次，我们探讨这两种个体差异中的任何一种，是否能预测受试者在相同任务中的行为表现。为了提前呈现我们的研究结果，我们提供了几项证据，表明物理推理和空间注意力需求由部分不同的神经基础支撑。同时，我们也发现了证据，表明用于处理物理物体（而非社会行为体）的神经基础也参与了空间工作记忆功能，但反之则不然。首先，我们验证了先前的研究结果，即物理推理和空间工作记忆最活跃的功能性兴趣区存在重叠。其次，我们发现这些功能性兴趣区的功能存在不对称性：那些在空间注意力需求下最活跃的区域，并不对物理物体或社会行为体内容表现出强烈的偏好反应，这意味着它们并不专门用于物理推理。相反，那些在物理推理中最活跃的区域，在空间注意力需求下也会产生反应，而且这两种效应的强度大致相当。第三，一项任务中“物理物体 vs 社会行为体”以及“难度较高 vs 较低”功能性兴趣区的活跃程度差异，可以通过另一项任务中的差异来预测。第四，“物理物体 vs 社会行为体”功能性兴趣区的反应（而“难度较高 vs 较低”功能性兴趣区及控制区域则无此反应）能够预测受试者的空间工作记忆表现。综合这些发现，我们可以认为，用于物理推理（而非社会推理）的神经资源，还参与了除感知和思考物理世界之外的其他功能。