工作記憶是有意識地在頭腦中保持和操縱新信息的便捷能力，它需要付出腦力。特別是，前額葉皮層的參與神經元必須同步工作，以集中我們的思想，無論我們是記住一組行進方向還是今晚的特色菜單。麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的研究人員在一項新的研究中展示了這種專注是如何出現的。

最近發表在《科學報告》雜誌上的這項研究的關鍵措施是神經元活動的可變性。科學家們普遍認為，較少的變異性活動意味著對任務更專注的調整。事實上，對這種變異性的測量表明，當人類和動物在實驗室的工作記憶遊戲中集中註意力時，變異性會減少。

在2016年至2018年的幾項研究中，主要作者Mikael Lundqvist和共同第一作者Earl K. Miller通過對數百個神經元的直接測量和嚴格的建模表明，前額葉皮層中的伽馬頻率節奏的爆發協調了頭腦中持有的信息的神經表示。信息表徵可以在單個神經元群體的同步尖峰中進行測量。同時，β頻率節奏的爆發實現了大腦對該信息的操作。

這個被米勒稱為”工作記憶2.0″的理論挑戰了長期以來的正統觀念，即神經元通過穩定、持久的活動來維持工作記憶信息。該舊模型的支持者，從相對較少的神經元的平均測量結果中產生，使用基於計算機的大腦活動模型來論證降低的變異性不可能從間歇性的節奏活動中產生。

但新的研究表明，變異性降低的現象事實上確實出現了。

麻省理工學院腦與認知科學系的Picower教授米勒說：”我們使用從前額葉皮層記錄的實際神經活動來表明，當動物專注於一項任務時，有節奏的爆發減少了它們的變異性。我們認為對工作記憶很重要的所有現象，突發的腦電圖棘波和伽瑪波都在做它們應該做的事情。當動物在執行工作記憶任務時，這一切都變得更加集中，而這自然減少了變異性。它顯示了工作記憶的這些新節奏元素是如何與你的大腦將其活動集中在手頭的任務上完全兼容的。”

直接觀察

在這項研究中，倫德奎斯特和研究小組在六隻動物玩三種不同的工作記憶遊戲時，測量了數百個神經元中的伽馬突發和個別神經尖峰。他們還利用一種被稱為”法諾係數”的計算方法，分析了這種活動在不同試驗中的變化程度。

當動物們完成每項任務時，伽馬突發和尖峰率顯示出與基線期的明顯差異，這與它們被任務的要求所調節是一致的。例如，在一項任務中，當每個需要記憶的項目出現時，它們會暫時達到峰值，然後在動物的記憶被測試時再次達到峰值。

雖然活動明顯受到任務的調節，但試驗與試驗之間的變化性也是如此。在每項任務中，他們發現變異性在任務開始前是最高的–這是一個”基線”條件，在這個條件下，動物們可以思考他們想要的任何東西。但是一旦動物不得不再次專注於任務，它們的伽馬突發和神經電荷就會變得與上次或下次做任務時的情況更加相似。此外，變異性的減少也與任務的關鍵時刻（例如，提出要記住的東西）緊密相連。

Lundqvist說：”我們的發現表明，一直存在著由各種認知線索決定的群體爆發事件。當我們專注於一項特定的任務時，與其他認知線索相關的群體事件就會安靜下來。因此，單體神經元的刺入變得更多地由該特定任務決定。”

變異性的減少不僅在時間上如此，在空間上也是如此。前額葉皮層中的伽馬波突發和尖峰代表任務信息的區域比不代表任務信息的區域顯示出更大的變異性下降。

模擬表明因果關係

雖然直接測量顯示變異性的減少與專注思考的任務要求相稱，但研究小組還調查了尖峰變異性的減少是否是伽馬爆發變異性減少的結果。

利用他們對伽馬突發及其變異性的測量，他們通過計算來模擬尖峰的變化（例如尖峰的速率），以觀察伽馬突髮變化的減少是否必然導致尖峰變化的減少。

“我們使用了一個簡單的模型，根據當前是否有正在進行的伽馬波暴發事件，我們給神經元提供了兩種不同的發射率，”Lundqvist說。”然後，簡單地根據記錄的伽瑪波暴發事件的時間，我們製作了數千條尖峰”列車”。這些人工尖峰”列車”的變異性變化與最初記錄的那些非常相似，這表明在很大程度上推動了這種變異性的減少。”

科學家們說，總的來說，他們發現變異性隨著工作記憶任務的要求而減少，而這是由伽馬節律的爆發時間和位置引導的。

作者寫道：”我們發現，在工作記憶任務期間，與任務相關的突發尖峰和伽馬功率的調製導致了神經活動的變異性的跨試驗減少。此外，我們發現，伽馬爆發變異性的減少與尖峰變異性的減少之間有直接關係。它們在時間和空間上都是共同發生的”。