Sci Adv：打破傳統認知！大腦可以同時“向內看”和“向外看”

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基本信息

Title:Concurrent selection of internal goals and external sensations during visual search

發表時間：2025.11.7

發表期刊:Science Advances

影響因子：12.5

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研究背景

想象一下你在擁擠的超市里尋找一款特定包裝的餅干。此時，你的大腦正在執行一項高度復雜的任務：一方面，你必須在“心眼”里維持并選中那個餅干包裝的心理表征（工作記憶）；另一方面，你的肉眼需要在琳瑯滿目的貨架上（外部環境）搜尋相匹配的目標（視覺搜索）。

這就引出了認知神經科學中一個經典且極具爭議的問題：我們的注意力是只能“單線程”工作，還是可以“雙管齊下”？

長期以來，主流觀點傾向于認為注意力的資源是有限且串行的。傳統的理論模型常將大腦狀態二分化：我們要么關注外部的感知覺輸入，要么關注內部的記憶和思維。在這種框架下，當任務同時需要內部和外部信息時，大腦必須在兩者之間快速切換。也就是說，你必須先在腦海中“選中”那個搜索目標，然后再去外部世界“尋找”它，這兩個過程在時間上是先后發生的。

然而，這種“排隊輪流”的機制在面對現實世界的高速互動時顯得過于低效。如果大腦真的需要不斷地在內、外模式間切換，我們如何能流暢地進行駕駛、體育競技或即時對話？

為了解開這個謎題，來自阿姆斯特丹自由大學的Baiwei Liu和Freek van Ede在Science Advances上發表的最新研究設計了一項巧妙的記憶引導視覺搜索任務，試圖挑戰傳統的串行觀點，探究大腦是否具備同時處理內部目標選擇（Internal Selection）和外部感覺選擇（External Selection）的能力。

研究核心總結

本研究通過結合高精度的眼動追蹤（Eye-tracking）和腦電圖（EEG）技術，利用多變量模式分析（MVPA），為人類大腦中內部與外部選擇過程的“并行性”提供了強有力的證據。

Fig. 1. Eye movements track the selection of internal search goals and external search targets.

核心發現：內外部選擇在時間上高度重疊

研究團隊設計了一個巧妙的實驗范式，將工作記憶中被試搜索目標的空間位置（內部空間）與該目標在屏幕呈現的空間位置（外部空間）進行了完全的正交化處理。結果顯示：

1. 眼動偏向的同時性：通過分析微眼跳（Microsaccades）和注視偏向，研究發現指向內部記憶表征的眼動偏向與指向外部視覺目標的眼動偏向在大約200毫秒后幾乎同時涌現。貝葉斯統計分析有力地排除了兩者存在時間延遲的串行假設，表明大腦在啟動內部目標檢索的同時，就已經開始引導外部的視覺注意。

2. 神經解碼的同步性：EEG解碼結果復現了眼動數據的發現。研究者能夠從同一時間段的腦電信號中，分別且成功地解碼出內部記憶項的空間方位和外部搜索目標的空間方位，證實了神經層面上兩個選擇過程的并行展開。

Fig. 2. Internal and external selection unfold concurrently during search.

神經機制：基于非重疊的神經表征

既然兩個過程同時發生，它們是否會相互干擾？研究通過跨域解碼（Cross-domain decoding）和探照燈分析（Searchlight analysis）揭示了其背后的神經機制：

• 獨特的神經拓撲：內部選擇相關的神經活動主要集中在前部（Anterior）腦區，而外部選擇相關的活動則主要集中在后部（Posterior）感覺腦區。

• 表征的正交性：雖然分別在內部和外部域內（Within-domain）可以實現高精度的空間解碼，但分類器無法在兩個域之間進行泛化。這表明，大腦使用截然不同、互不重疊的神經編碼來支持內部和外部的選擇過程。這種神經表征的正交性（Orthogonality）正是兩者能夠互不干擾、并行運作的生理基礎。

Fig. 3. Internal and external selection rely on largely nonoverlapping neural activity patterns in the human brain.

行為學意義：無損的并行處理

行為數據顯示，即使內部注意的方向與外部注意的方向完全相反（例如：心里想著左邊的物體，眼睛看著右邊的物體），被試的搜索表現（準確率和反應時）也不會比中性條件差。這進一步佐證了大腦可以在不同空間方向上同時部署內部和外部注意，而不會產生顯著的認知代價。

Fig. 4. Internal and external selection do not incur a cost when deployed in opposite compared to perpendicular directions but do benefit when deployed in the same direction.

總而言之，這項研究徹底打破了“內部注意與外部注意必須輪流進行”的傳統二分法觀點。它揭示了大腦在處理目標導向行為時的高效策略：通過動用空間上分離、編碼上獨立的神經資源，大腦能夠實現“內視”與“外視”的同步進行。 這一發現不僅深化了我們對注意機制和工作記憶的理解，也為解釋人類如何在復雜動態環境中實現高效的感知決策提供了新的理論框架。

Abstract

Flexible goal-directed behavior relies on selecting relevant internal goal representations and external sensations. Yet, these selection processes have classically been studied in isolation, leaving unclear how they are coordinated in time to support behavior. To address this, we developed a visual search task to simultaneously track selection among internal search goals held in working memory and external search targets in the environment. Capitalizing on sensitive gaze and neural markers, we provide proof-of-principle evidence in humans that internal and external selection processes do not necessarily take turns in a strictly serial manner but can develop concurrently. These concurrent processes are supported by largely nonoverlapping neural activity patterns in the human brain and can be performed effectively even when engaging opposite spatial locations in working memory and perception. Our findings challenge views portraying brain states as being either internally or externally focused and bring insight into how internal and external selection processes work together to yield efficient search behavior.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部