前额叶皮层的工作记忆编码与眼跳执行控制机制

The short-term memory and executive control of working memory play an important role in cognitive function of brain. The current research aims to investigate the function of working memory by using computational method and theory of dynamics, and complete the following three works. (1) A single item short-term memory network model is constructed to simulate the visual memory tasks and analyze how the neural signals encode the short-term memory as well as the neural basis of single item visual memory. (2) Based on the single item short-term memory model, we construct a sequential short-term memory model by adding some mechanisms of sequential memory, researching the suitability of the sequential memory mechanisms in visual sequential memory task and the coding of sequential memory with multiple visual targets. After reducing the dimensionality of the sequential short-term memory model, we apply dynamics analysis to the reduced model and analyze the mechanisms of switching between items in a visual sequence, the neural basis of sequentially and reversely recalling a sequence memory. (3) By adding a central executive module to the sequential short-term memory model and connecting it to a saccade movement neural circuit, we obtained a working memory-saccade movement neural circuit model. It simulates the whole process from the processing of visual input and visual memory to saccadic eye movement output, researching the executive control of working memory to saccade.

工作记忆的短期记忆功能和执行控制功能在大脑认知相关功能中起着极其重要的作用。本项目拟从数学模型与动力学理论的角度切入工作记忆的功能研究，完成以下三项工作。（1）建立单元素短期记忆神经回路模型，用之模拟视觉记忆任务，并探讨任务过程中神经元的波形信号对记忆信息的编码以及单个视觉元素的短期记忆机制。（2）在单元素短期记忆模型的基础上加入顺序记忆机制的模型描述构建视觉顺序记忆回路模型，并结合数值计算和实验数据研究视觉顺序记忆机制以及多视觉目标的顺序记忆编码。将视觉顺序记忆回路模型降维并进行动力学分析，解析视觉顺序中不同次序对应元素的记忆切换机制、记忆的顺序回忆和逆序回忆的神经机制。（3）在顺序记忆回路模型中加入中枢执行模块，并与已经构建的眼跳运动回路相连，构成一个工作记忆-眼跳运动神经回路，通过完整模拟视觉任务从视觉输入处理与记忆到眼跳运动输出的过程研究工作记忆对眼跳的执行控制机制。

工作记忆的短期记忆功能和执行控制功能在大脑认知相关功能中起着极其重要的作用。本项目从数学模型与动力学理论的角度切入工作记忆的功能研究，完成了以下三项工作。（1）建立了单元素短期记忆神经回路模型，成功模拟短期记忆任务。将回路模型转化为平均场模型并进行动力学分析后，我们发现短期记忆的动力学机制是双稳态。我们还进一步发现还存在着两种双稳态，一种是两个稳定平衡点共存，另一种是稳定平衡点和稳定极限环共存，前者对应的是正常的记忆状态，而后者我们推测是属于病变的记忆状态。（2）在单元素短期记忆模型的基础上，我们构建两个视觉顺序记忆回路模型。第一种可以模拟简单的顺序记忆活动，但其缺点是不能把顺序跟事物特征结合起来记忆。因此，第二种采用了双层神经回路的结构，并加入了STDP学习规则，经过多轮学习后能够把顺序与特征结合起来记忆与回忆。（3）构建了前额叶皮层-辅助视区-额叶视区-上丘神经回路模型，模拟了正向眼跳任务、反向眼跳任务以及停止信号任务等决策任务，并研究了前额叶皮层对其他脑区的自上而下控制机制及其对任务中的各项指标的影响。