工作记忆：大脑的「临时工作台」，竟被这个神秘脑区掌控？

来源：首都医学创新中心

你有没有过这样的经历：刚记下的电话号码转头就忘，购物清单没写下来就漏买一半？这背后藏着大脑最核心的认知功能——工作记忆，它就像大脑的 「临时记事本」，帮我们暂存信息、完成思考和决策。大家可能比较熟悉「学习记忆」，一个大脑将新经验、新知识转化为长期可用信息的过程（比如学会一门语言、记住家乡的路），一旦形成可维持数天、数年甚至终身，核心是突触的长期可塑性。与长期记忆不同的是，工作记忆侧重「临时处理」，是大脑在短时间内（几秒到几十秒）持有、操作信息的能力（比如算「18×75」时记住中间结果 126），容量有限但灵活，是动态的「信息中转站」，也是学习记忆的重要前提——没有良好的工作记忆，新知识很难被有效编码进长期记忆。

图 1：What is Working Memory?（https://powerbrainrx.com/what-is-working-memory/）

工作记忆的作用远比我们想象的普遍，举几个贴近生活的例子。开会时，一边听导师说项目要求（接收新信息），一边在脑子里梳理任务分工（处理信息），还要记住关键时间节点（存储信息），全程靠工作记忆支撑。背英语单词时，先记住单词的拼写、发音（存储），再联系例句理解用法（处理），最后尝试造句（运用），中间环节离不开工作记忆的「临时托管」。我们去超市购物，没带清单时，在脑子里默念「牛奶、面包、鸡蛋、洗衣液」（维持信息），路过货架时逐一核对（提取信息），避免买漏。大家和朋友聊天时，记住对方刚说的话题要点，再组织自己的回应，不会答非所问，这也是工作记忆在「实时调度」信息。

工作记忆对人有多重要呢？工作记忆是高阶认知功能的核心，缺了它，很多日常活动都会寸步难行。第一，工作记忆支撑学习与思维：解数学题、写文章、逻辑推理，都需要同时持有多个信息并加工，工作记忆容量直接影响学习效率和思维敏捷度。第二，它保障决策与行动：过马路时，记住红灯时长、来往车辆速度、人行道位置，再判断何时通过；开车时，同时关注路况、车速、导航提示，都依赖工作记忆的「多任务处理」能力；第三，维系社交与沟通：记住对话上下文、他人的需求偏好，才能进行顺畅的交流，避免「聊到一半忘话题」的尴尬；最后，工作记忆帮我们应对复杂环境：陌生城市找路时，记住导航说的「下一个路口左转」「过两个红绿灯」，同时观察周围路标，工作记忆让我们能快速适应动态变化的场景。

传统认知：工作记忆的「核心脑区」与机制

长期以来，科学家认为工作记忆的核心支撑的脑区有前额叶皮层、海马体和和顶叶皮层。前额叶皮层（prefrontal cortex）是公认的「核心指挥区」，负责信息的主动维持、操作和抑制无关干扰，比如集中注意力记要点时，前额叶皮层神经元会持续活跃。海马体参与信息的短期存储和与长期记忆的衔接，比如记住购物清单时，海马体帮助暂时「锁住」信息；

顶叶皮层：负责整合感官信息（视觉、听觉等），让工作记忆能处理多模态信息，比如开会时同时记住导师的话（听觉）和 PPT 上的图表（视觉）。

核心机制

神经元持续放电：刺激消失后，相关脑区的神经元仍会持续发放电信号，像「荧光棒」一样，让信息在延迟期不消失（比如记住中间计算结果时，神经元一直「在线」）；

脑区间协同网络：前额叶皮层、海马体、顶叶皮层等通过神经纤维连接，形成动态网络，协同完成信息的存储、处理和提取；

突触短期可塑性：神经元之间的突触连接在短时间内发生临时变化，增强信息传递效率，支撑工作记忆的短暂维持。

图 2：Working Memory Performance-Related Regions in Children 

图 3：工作记忆模型的简化脑区示意图（Chai, Wen Jia et al. Frontiers in psychology. 27 Mar. 2018）

为什么要研究「屏状核」？Alan 团队的突破性发现

工作记忆的本质是「短时间内对多源信息的动态持有、加工与调用」，其功能实现必须依赖专门的整合中心，整合中心是工作记忆从「分散信息处理」走向「统一、高效、稳定的信息管理」的核心保障，没有整合中心，多源信息无法形成有效联动，工作记忆的容量、效率与准确性将大幅下降。而屏状核（claustrum）这个长期被忽视的脑区是否是这个整合中心呢？它独特的结构以及解剖位置恰好满足了这个猜想，这也是 Alan 团队聚焦它的核心原因：

1. 屏状核的「独特优势」：它位于大脑皮层下，像「神经网络的十字路口」，与几乎所有皮层区域都有双向连接，能快速整合视觉、听觉、触觉等多感官信息，这正是工作记忆需要的「多模态信息处理能力」；

2. 之前的研究空白：由于屏状核体积小、位置隐蔽，过去很难精准研究，导致它的功能一直不明确，被称为「大脑的神秘角落」。

图 4：小鼠、猴子和人类大脑中屏状核的位置（Madden, Maxwell B et al. Trends in cognitive sciences vol. 26, 12 (2022): 1133-1152）

过去，科学家们一直以为工作记忆是多个脑区协同作用的「分布式工程」，没有单一的「存储中心」。但最新两篇发表的研究（一篇登于 Nature Communications，一篇为 bioRxiv 重磅预印本）彻底颠覆了这一认知：原来大脑深处一个叫「屏状核（CLA）」的神秘区域，既是神经元亚型丰富的「复杂社区」，更是工作记忆的「专属保险箱」！

首先研究团队结合尖端的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和空间转录组学（MERFISH）技术，首次以单细胞分辨率解析了小鼠屏状核-岛叶区域的细胞构成。

图 5：单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和空间转录组学（MERFISH）技术解析小鼠屏状核-岛叶区域的细胞构成的示意图

高分辨率刻画屏状体-岛叶区域的三类具有关键作用的核心亚型

研究发现，屏状核里藏着一个多样化的「神经元大家族」

传统上，屏状核被认为是相对均一的。但这张「地图」揭示了一个高度复杂和交织的细胞世界。研究明确了三类具有关键作用的核心亚型：

1. CLA1 投射神经元（占比最高，1096 个细胞），作为屏状核内数量优势群体，推测是多模态信息整合与工作记忆维持的核心载体，其神经元放电特性直接影响信息存储效率；

2. CLA2 投射神经元（96 个细胞），虽数量较少，但与皮层区域的双向连接特异性强，可能参与信息的精准传递与调控；

3. Shell 投射神经元」（含 shell1-3 三个亚类），介于屏状核与皮层之间，承担「信息中转桥梁」作用，为屏状核与其他脑区的协同提供支撑。这些亚型的发现颠覆了屏状核「细胞均一」的传统认知，且与工作记忆的核心功能（存储、整合、传递）直接相关，属于重要功能亚型。这些细胞在空间中分布复杂且相互重叠，颠覆了过去对其简单划分的认知。

尽管已鉴定出上述关键亚型，但研究仍存在明显局限性。功能解析有限：现有研究仅证实这些亚型与工作记忆相关，但各亚型的具体功能分工（如 CLA1 与 CLA2 在信息处理中的差异化作用、不同 Shell 亚型的特异性功能）尚未完全阐明；物种适配性有限：研究基于小鼠模型，其屏状核亚型的种类与功能是否完全对应人类，仍需进一步验证，无法直接推论为人类屏状核的通用亚型特征。

图 6：对屏状核-岛叶区域细胞类型的高分辨率特征分析

如果说第一篇研究揭开了屏状核的「内部结构」，第二篇研究则直接点明了它的「核心功能」：工作记忆的「守护者」。

实验设计

在探索屏状核（CLA）对工作记忆的关键作用时，研究团队设计了两种精准且互补的行为任务——嗅觉工作记忆（OWM）和触觉空间工作记忆（TSWM）。这两种任务如同为小鼠搭建的「认知挑战平台」，分别聚焦嗅觉和触觉 - 空间两种感官维度，通过标准化流程测试动物的短时信息存储与提取能力，为解析 CLA 的记忆存储功能提供了直接的行为证据。OWM 和 TSWM 分别覆盖化学感官（嗅觉）和躯体感觉 - 空间感官（触觉方位），通过两种任务的平行测试，可验证 CLA 对不同类型感官信息的记忆存储是否均有调控作用。

图 7：用于评估束缚状态下小鼠嗅觉和触觉空间记忆（分别为嗅觉空间记忆和触觉空间记忆）的行为实验范式的示意图

屏状核真的在「记忆」

通过钙成像技术记录屏状核神经元活动，研究人员发现三类关键神经元：

刺激神经元：在样本出现时立即响应；

延迟神经元：在延迟期间持续活动，类似海马体的「时间细胞」；

抑制神经元：在任务中大部分时间被抑制。

图 8：（左边）钙成像操作流程图。（右边）在 OWM 和 TSWM 任务期间单个神经元的反应

更重要的是，屏状核整体神经活动能够编码并维持刺激的身份信息，即使延迟长达 30 秒，这种编码虽逐渐衰减，但仍显著高于随机水平。

化学遗传技术和光遗传抑制 CLA 神经元会破坏工作记忆

研究团队分别采用化学遗传学和光遗传学方法，在任务不同阶段抑制屏状核神经元。结果一致表明：

抑制屏状核导致小鼠工作记忆表现下降约 40-50%；无论是在信号编码期、延迟期还是目标比较期抑制，均造成显著损伤；同样的抑制并不影响小鼠的单纯感觉辨别能力，说明屏状核的作用特异地体现在「记忆存储」而非「感觉处理」上。

图 9：（左边）病毒靶向 CLA 神经元图。（右边）条件性表达抑制性视蛋白 eNpHR3 的病毒靶向 CLA 神经元图

这意味着什么？

这项研究挑战了「工作记忆完全分布式存储」的传统观点，首次提出屏状核可能作为一个集中的、类似计算机内存（RAM）的临时存储中枢。它负责整合来自不同皮层的信息，形成一个统一的记忆表征，供后续行为决策使用。

总之，该研究团队两篇延续性工作证明了屏状核不仅是工作记忆的参与者，更是其核心存储枢纽。这一发现为我们理解记忆机制提供了新方向，也暗示屏状核可能是未来治疗记忆障碍类疾病的重要靶点。

不足：

总的来说，这项研究将屏状核推向了工作记忆研究舞台的中央，证明它是一个必要的关键角色。然而，作者从「关键参与者」到「核心存储中心」的论断，是一次证据不足的逻辑飞跃。

这项研究在证明屏状核作为工作记忆关键枢纽的结论上，仍存在几个层面的关键局限。首先，其证据基础主要构建于嗅觉和触觉空间这两种感觉模态的任务之上，这极大地限制了结论的普适性。这两种模态的神经通路相对古老且特异，而作为人类认知核心的视觉与听觉工作记忆，依赖高度发达且不同的皮层网络（如前额叶-顶叶通路）。屏状核在简单嗅觉/触觉任务中的必要性，并不能直接推论它为处理复杂视觉客体或语音信息的通用存储中心。

其次，研究所使用的光遗传与化学遗传抑制技术，在方法学上存在固有的「非特异性」风险。尽管通过对照实验排除了其对基础感知的直接影响，但技术手段可能同时抑制了经过屏状核的过路纤维，或引发了难以检测的远端脑区网络效应，从而模糊了行为缺陷的真正起源。

最后，也是最根本的一点，研究有力地证明了屏状核的必要性，但远未证实其作为「存储中心」的排他性。实验观察到在抑制屏状核后，动物的工作记忆性能平均下降 40-50%，而非彻底归零，这强烈暗示大脑中存在一个分布式的、具有功能冗余的存储网络。前额叶、海马或感觉皮层等其他区域，很可能保留了部分存储能力或在屏状核功能受损时进行代偿。因此，将屏状核定义为唯一的「RAM」可能过于简化，它更可能是这个分布式网络中的一个关键而非排他的枢纽节点。

家人们谁懂啊！看完这里才发现，我记不住老板布置的事情原来是大脑里的 CLA（屏状核）这个 「工作记忆小管家」 在偷懒！