近日，深圳大學(xué)心理學(xué)院助理教授樂秋海與合作者在自然指數(shù)期刊Nature Communications（2023 Impact Factor=14.7）在線發(fā)表了題為“Ultrafast fMRI reveals serial queuing of information processing during multitasking in the human brain”的研究論文。該研究使用超高速、高場強(qiáng)功能磁共振成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)人類大腦額頂多重需求網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)動皮層，共同構(gòu)成了限制我們進(jìn)行多任務(wù)加工的人腦信息加工序列瓶頸。樂秋海為論文第一作者，深圳大學(xué)為第一完成單位。樂秋海與范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）教授René Marois為共同通訊作者。

人類大腦擁有超過約870億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元又有數(shù)以千計(jì)的連接。人們常常驚嘆其巨大的并行加工能力。然而，有影響力的認(rèn)知模型表明，存在一個(gè)不同于感知和動作反應(yīng)階段的信息加工中央瓶頸，這個(gè)瓶頸限制了我們同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)高認(rèn)知需求任務(wù)的能力，從而導(dǎo)致任務(wù)信息只能被序列加工。由于技術(shù)的限制，之前的研究并沒有很好的探究這一信息加工瓶頸的神經(jīng)基礎(chǔ)——即在大腦中何時(shí)何處信息處理由并行模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘘?duì)列模式。回答這個(gè)問題的難點(diǎn)在于缺乏同時(shí)具備較好的空間定位和時(shí)間分辨率的技術(shù)。為了解決這個(gè)問題，該研究采用高場強(qiáng)（7T）超快速（199ms）功能磁共振成像掃描技術(shù)，并結(jié)合多變量模式分析，追蹤了在雙任務(wù)加工重疊條件下，從刺激感知到動作執(zhí)行整個(gè)任務(wù)加工流程中，任務(wù)特異性大腦神經(jīng)活動的信息流動。

圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與行為結(jié)果

研究采用經(jīng)典的心理不應(yīng)期實(shí)驗(yàn)范式，其中兩個(gè)任務(wù)分別為根據(jù)不同聲音做出眼動反應(yīng)和根據(jù)不同顏色做出手指按鍵反應(yīng)（圖1a-c）。在行為上，研究者觀察到經(jīng)典的心理不應(yīng)期效應(yīng)，即在雙任務(wù)重疊（干擾）條件下，對第二個(gè)任務(wù)的反應(yīng)被顯著推遲，反映出在雙任務(wù)條件下的序列加工模式（圖1d, e）。對單任務(wù)腦激活數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究者定位出了不同加工階段的腦區(qū)/網(wǎng)絡(luò)，其中包括在兩個(gè)任務(wù)中模態(tài)特異的聽覺感知、視覺感知腦區(qū)和眼動、手指運(yùn)動腦區(qū)，以及多模態(tài)的中央加工腦區(qū)。該中央加工腦區(qū)和之前為研究者所熟知的支持完成多重任務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)高度重合（圖2）。

圖2. 不同任務(wù)下不同加工階段的感興趣腦區(qū)

圖3. 多重需求網(wǎng)絡(luò)中單任務(wù)與雙任務(wù)的神經(jīng)解碼時(shí)間序列研究采用多變量模式分析方法來追蹤任務(wù)特異性的神經(jīng)活動。

發(fā)現(xiàn)在初級感知腦區(qū)，對特定任務(wù)的神經(jīng)活動不會受到任務(wù)加工重疊的影響，即在感知加工階段，對刺激信息的處理表現(xiàn)出并行加工的模式；而在多重需求網(wǎng)絡(luò)，對雙任務(wù)條件中第一個(gè)出現(xiàn)的刺激的神經(jīng)活動基本不會受到任務(wù)疊加的影響，而對第二個(gè)出現(xiàn)的刺激的神經(jīng)活動則表現(xiàn)出顯著的延遲（圖3a），并且這種神經(jīng)活動的延遲能預(yù)測行為上的心理不應(yīng)期效應(yīng)（反應(yīng)時(shí)的延遲）（圖3b）。結(jié)果表明在中央加工階段，對任務(wù)信息的處理表現(xiàn)出串行隊(duì)列模式。在動作反應(yīng)腦區(qū)，與中央加工階段類似，表現(xiàn)出對第二個(gè)任務(wù)神經(jīng)活動的延遲模式。

圖4. 單任務(wù)下基于反應(yīng)時(shí)差異的分析

與此同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，與人們的傳統(tǒng)認(rèn)識不同，初級運(yùn)動皮層腦區(qū)并不僅僅只是簡單地參與到動作執(zhí)行當(dāng)中，還參與了中央加工階段的反應(yīng)選擇加工。在特定的任務(wù)中，初級運(yùn)動皮層和多重需求網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了人腦信息處理的中央加工瓶頸。研究中對單任務(wù)條件下基于反應(yīng)時(shí)差異的神經(jīng)活動分析（圖4），以及單任務(wù)條件下格蘭杰因果關(guān)系分析的結(jié)果都支持了這一結(jié)論。

總結(jié)來看，研究結(jié)果清晰地表明，在額頂腦區(qū)多重任務(wù)需求網(wǎng)絡(luò)中，對任務(wù)信息的加工存在串行隊(duì)列模式。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，該多重需求網(wǎng)絡(luò)與特定模態(tài)的運(yùn)動腦區(qū)相結(jié)合，共同定義了反應(yīng)選擇階段的中央瓶頸功能特征。這一研究結(jié)果為信息加工的串行隊(duì)列提供了直接的神經(jīng)證據(jù)，并精確定位了支撐中央瓶頸加工的神經(jīng)基礎(chǔ)。另外，該研究也表明，將超快速成像技術(shù)與功能磁共振成像的高空間分辨率結(jié)合，為我們從神經(jīng)生物學(xué)角度來理解一系列高級認(rèn)知加工過程提供了一個(gè)全新的視角。

該論文發(fā)表得到了深圳市新引進(jìn)高精尖缺人才科研啟動經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58228-0