Nature重磅 | 揭秘大腦中的共享神經子空間與幾何縮放

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基本信息

Title:Building compositional tasks with shared neural subspaces

發表時間：2025.11.26

發表期刊:Nature

影響因子：48.5

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研究背景

認知系統如何靈活適應環境變化并學習新任務？人類和非人靈長類動物能夠將簡單的行為和認知模塊進行重新利用和靈活組合 ，這種能力被稱為任務組合性（Task Compositionality）。試想，我們在學會辨別水果顏色“是否成熟”這一基本技能后，可以將它用于采摘、烹飪、食用等多種任務中。組合性正是實現通用智能的關鍵 。

然而，大腦在神經環路層面如何將這些基本模塊像“樂高積木”一樣靈活地“搭建”和“拆解”，并實現對感覺、認知和運動表征的靈活“動態路徑選擇/動態路由”（Dynamic Routing），一直是認知神經科學的核心挑戰 。

神經系統必須解決一個關鍵問題：如何確保在執行新任務時，只激活并連接當前任務所需的神經資源（例如，顏色信息），同時抑制那些不相關的舊信息（例如，形狀信息或錯誤的運動路徑），避免“內部短路”？

本研究正是為了揭示這一動態調控的神經基礎。研究團隊通過設計三個具有精妙組合關系的視覺分類任務（S1, C1, C2），精準測試了任務組合性在神經層面的實現 。其中，任務C1被視為組合任務，它結合了C2的顏色感知子任務與S1的軸1運動響應子任務 。更重要的是，實驗范式要求獼猴在任務切換時，必須通過迭代更新內部任務信念來推斷當前規則（即任務推斷），從而提供了觀察神經資源動態調控的理想窗口 。

Fig. 1 | The monkeys performed three compositional tasks.

研究核心總結

本研究的核心發現是，大腦通過維護和調用共享神經活動子空間來高效支持任務組合性，而外側前額葉皮層（LPFC）是實現這一靈活機制的關鍵樞紐。

Fig. 2 | Colour category and response representations were shared across tasks.

一、共享表征與動態轉換

1. 子空間泛化性： LPFC是共享表征的主要樞紐，其神經活動表現出強大的跨任務泛化能力，證實了存在與具體任務解耦的共享感覺子空間（編碼顏色類別）和共享運動子空間（編碼軸1/軸2響應方向）。通過線性分類器驗證，訓練用于C2的顏色分類器可成功解碼C1任務中的顏色信息；運動表征則在所有記錄區域（包括LPFC, FEF, PAR, aIT）中都表現出廣泛的共享性 。

2. 順序組合與計算路由： 任務的執行體現為這些子空間的順序參與和任務依賴的轉換 。在LPFC中，神經活動首先在共享顏色子空間中編碼刺激類別，隨后被選擇性地路由至任務相關的共享運動子空間（如C1任務中路由至軸1）。跨時序相關性分析進一步證實，共享感覺表征的編碼強度能夠預測未來相關運動響應軸的編碼，而非無關軸，清晰地展示了從感知信息到任務特定運動輸出的動態轉換過程 。

Fig. 3 | Shared representations were transformed into shared motor representations during the task.

二、任務信念與幾何門控

1. 信念驅動的動態門控： 子空間的靈活調用并非自動，而是由內部任務信念驅動和調控 。LPFC中任務信念編碼的增強，正相關地預測了共享顏色子空間的參與度。

2. 增益調控與干擾抑制：任務信念通過實施一種幾何縮放機制，即增益調控，來實現對表征的動態控制。任務相關特征（如顏色）的神經表征被放大，而任務無關特征（如形狀）的表征則被衰減和延遲。這種幾何調整策略由壓縮指數（Compression Index, CPI）量化，并與任務信念高度相關，是解決多任務干擾和支持持續學習的關鍵策略 。值得注意的是，對無關運動軸的抑制是快速的（3-6個試次內），而對無關感覺特征的衰減則是漸進的，反映了不同層級規則的推斷速度差異 。

Fig. 4 | Shared subspaces are dynamically engaged during task discovery.

綜上所述，本研究在神經群體層面為任務組合性的實現提供了結構性證據。外側前額葉皮層（LPFC）通過維護共享神經子空間作為可重用的計算組件 。這種靈活的組合，本質上依賴于高維度的內部任務信念作為核心的控制信號 。該信念不僅驅動了從感覺表征到運動表征的動態計算路由，實現任務相關的時序轉換 ，還通過幾何門控機制，精確地放大任務相關信息并抑制干擾信息 。這一發現揭示了大腦如何在保障跨任務泛化性的同時，通過精細的表征幾何學調整來有效解決持續學習中的干擾和沖突問題 。

Fig. 5 | Irrelevant sensory and motor representations were suppressed during flexible behaviour.

Abstract

Cognition is highly flexible—we perform many different tasks and continually adapt our behaviour to changing demands. Artificial neural networks trained to perform multiple tasks will reuse representations and computational components across tasks. By composing tasks from these subcomponents, an agent can flexibly switch between tasks and rapidly learn new tasks. Yet, whether such compositionality is found in the brain is unclear. Here we show the same subspaces of neural activity represent task-relevant information across multiple tasks, with each task flexibly engaging these subspaces in a task-specific manner. We trained monkeys to switch between three compositionally related tasks. In neural recordings, we found that task-relevant information about stimulus features and motor actions were represented in subspaces of neural activity that were shared across tasks. When monkeys performed a task, neural representations in the relevant shared sensory subspace were transformed to the relevant shared motor subspace. Monkeys adapted to changes in the task by iteratively updating their internal belief about the current task and then, based on this belief, flexibly engaging the shared sensory and motor subspaces relevant to the task. In summary, our findings suggest that the brain can flexibly perform multiple tasks by compositionally combining task-relevant neural representations.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部