学习与记忆终生发展的机制与干预

One ubiquitous feature of human learning and memory is its constant and complex changes throughout the lifespan. It is thus of great significance to systematically describe the lifespan trajectory of the human learning and memory, and to uncover the underlying cognitive and neural mechanisms. Guided by the “Neural activation pattern reinstatement” hypothesis developed by the applicant during last funding period, the current project aims to (1) systematically and precisely characterize the lifespan development of human learning and memory within one study by developing assessment tools and indices that are suitable for all age groups; (2) characterize the anatomical and functional development of the occipitotemporal sensory cortex, frontoparietal attention control system, hippocampal subfield regions and temporoparietal semantic system, and its effect on neural activation pattern reinstatement and memory performances. This will be achieved by using ultra-high 7T fMRI, tDCS, MEG and EEG, in combination with advanced machine learning, representational similarity analysis, and neural network analysis approaches; (3) develop effective, age-specific interventions that integrate cognitive training and noninvasive brain stimulation. Results from this project will help to develop a unified theory that could account for the complex developmental patterns of learning and memory, and contribute to a deeper understanding of the neural mechanisms of learning and memory. These results will also have significant potential implications in the treatment of developmental disorders related to learning and memory and age-related memory declines.

学习和记忆的一个关键特征是其随年龄发展的系统复杂变化。系统刻画学习和记忆的终身发展轨迹、并揭示其内在认知和神经机制对深入了解学习和记忆的本质规律具有重要意义。以申请人在前一自然科学基金中发展的神经激活模式再现假说为理论框架，本项目将1.使用统一的记忆能力测评工具和指标，全面准确地刻画从儿童到老年的学习和记忆能力的毕生发展曲线；2.结合超高场fMRI、MEG、EEG和无损脑刺激技术，机器学习、表征相似性分析和脑网络分析等方法，系统揭示个体颞枕感知觉系统、额顶注意控制系统、海马子系统及颞顶语义系统的结构和功能网络发展及其对神经激活再现和学习记忆行为发展变化的影响；3.开发适用于不同年龄的认知训练和无损脑刺激相结合的干预方案。项目将有助于发展人脑学习和记忆终生发展的整合理论模型，为学习和记忆这一重大基础前沿领域的理论发展做出突出贡献，同时在矫正学习困难和对抗记忆老化等问题上具有潜在应用价值。

本项目旨在从毕生发展的角度，对各年龄阶段的人群进行系统的学习能力测查，揭示人脑学习能力发展的规律和及其神经机制，并在此基础上发展和验证记忆提升与干预方案。项目取得如下重要进展：在能力测查上，我们（1）建立了一套适用于各年龄段的全面标准化记忆测试任务，覆盖短时记忆，工作记忆和长时记忆；（2）使用大样本横断研究刻画了不同记忆能力的发展规律。在神经机制上，我们结合高空间分辨率的fMRI以及高时间分辨率的EEG、iEEG等技术（1）揭示了感知觉系统的类别特异性与前额叶的重要作用，发现了老年人与年轻人的大尺度功能网络存在显著差异；（2）探索了注意控制系统影响学习与记忆的神经机制，揭示了人脑面对干扰时的灵活记忆编码；（3）考察了海马子区域中的信息表征机制，发现了不同子区域对精确时序记忆形成的多种机制；（4）探究了先前知识经验（图式）对错误记忆形成的影响以及该影响随年龄发展变化的特点，发现了老年人产生更多错误记忆的背后神经机制；（5）提出记忆的动态表征机制，从而解释人脑短期记忆编码、存储到长期记忆提取之间的表征转变。在干预提升上，我们（1）揭示认知训练和不同学习策略促进学习能力的认知和神经机制；（2）发展了促进认知训练迁移效果的有效方案，并在10余所中小学开展了学习能力训练的实验；（3）发展了基于无损交流脑刺激的序列记忆提升技术。在理论发展上，我们相继提出了人脑学习和记忆的“神经表征交互作用理论”以及“神经表征动态转化理论”，为揭示记忆的本质，发展有效学习方法和启发新一代智能学习算法提供了理论基础。.我们总共发表了22篇文章，包括21篇英文SCI论文和1篇中文文章。其中包括在Trends in Cognitive Sciences（1篇，IF：24.48），PNAS（2篇，IF：12.78），Science Advances（2篇，IF：14.14），Nature Communications（1篇，IF：14.92），Progress in Neurobiology（1篇，IF：10.89）等JCR 1区论文19篇。相关成果获得教育部自然科学一等奖。