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基本信息

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

發(fā)表時(shí)間：2025.11.7

發(fā)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(shí)，你的大腦正在執(zhí)行一項(xiàng)高度復(fù)雜的任務(wù)：一方面，你必須在“心眼”里維持并選中那個(gè)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(huán)境）搜尋相匹配的目標(biāo)（視覺搜索）。

這就引出了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中一個(gè)經(jīng)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(diǎn)傾向于認(rèn)為注意力的資源是有限且串行的。傳統(tǒng)的理論模型常將大腦狀態(tài)二分化：我們要么關(guān)注外部的感知覺輸入，要么關(guān)注內(nèi)部的記憶和思維。在這種框架下，當(dāng)任務(wù)同時(shí)需要內(nèi)部和外部信息時(shí)，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(gè)搜索目標(biāo)，然后再去外部世界“尋找”它，這兩個(gè)過程在時(shí)間上是先后發(fā)生的。

然而，這種“排隊(duì)輪流”的機(jī)制在面對現(xiàn)實(shí)世界的高速互動時(shí)顯得過于低效。如果大腦真的需要不斷地在內(nèi)、外模式間切換，我們?nèi)绾文芰鲿车剡M(jìn)行駕駛、體育競技或即時(shí)對話？

為了解開這個(gè)謎題，來自阿姆斯特丹自由大學(xué)的Baiwei Liu和Freek van Ede在Science Advances上發(fā)表的最新研究設(shè)計(jì)了一項(xiàng)巧妙的記憶引導(dǎo)視覺搜索任務(wù)，試圖挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的串行觀點(diǎn)，探究大腦是否具備同時(shí)處理內(nèi)部目標(biāo)選擇（Internal Selection）和外部感覺選擇（External Selection）的能力。

研究核心總結(jié)

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

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

核心發(fā)現(xiàn)：內(nèi)外部選擇在時(shí)間上高度重疊

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)范式，將工作記憶中被試搜索目標(biāo)的空間位置（內(nèi)部空間）與該目標(biāo)在屏幕呈現(xiàn)的空間位置（外部空間）進(jìn)行了完全的正交化處理。結(jié)果顯示：

1. 眼動偏向的同時(shí)性：通過分析微眼跳（Microsaccades）和注視偏向，研究發(fā)現(xiàn)指向內(nèi)部記憶表征的眼動偏向與指向外部視覺目標(biāo)的眼動偏向在大約200毫秒后幾乎同時(shí)涌現(xiàn)。貝葉斯統(tǒng)計(jì)分析有力地排除了兩者存在時(shí)間延遲的串行假設(shè)，表明大腦在啟動內(nèi)部目標(biāo)檢索的同時(shí)，就已經(jīng)開始引導(dǎo)外部的視覺注意。

2. 神經(jīng)解碼的同步性：EEG解碼結(jié)果復(fù)現(xiàn)了眼動數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)。研究者能夠從同一時(shí)間段的腦電信號中，分別且成功地解碼出內(nèi)部記憶項(xiàng)的空間方位和外部搜索目標(biāo)的空間方位，證實(shí)了神經(jīng)層面上兩個(gè)選擇過程的并行展開。

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

神經(jīng)機(jī)制：基于非重疊的神經(jīng)表征

既然兩個(gè)過程同時(shí)發(fā)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(jīng)機(jī)制：

• 獨(dú)特的神經(jīng)拓?fù)?/strong>：內(nèi)部選擇相關(guān)的神經(jīng)活動主要集中在前部（Anterior）腦區(qū)，而外部選擇相關(guān)的活動則主要集中在后部（Posterior）感覺腦區(qū)。

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

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

行為學(xué)意義：無損的并行處理

行為數(shù)據(jù)顯示，即使內(nèi)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(xiàn)（準(zhǔn)確率和反應(yīng)時(shí)）也不會比中性條件差。這進(jìn)一步佐證了大腦可以在不同空間方向上同時(shí)部署內(nèi)部和外部注意，而不會產(chǎn)生顯著的認(rèn)知代價(jià)。

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(xiàng)研究徹底打破了“內(nèi)部注意與外部注意必須輪流進(jìn)行”的傳統(tǒng)二分法觀點(diǎn)。它揭示了大腦在處理目標(biāo)導(dǎo)向行為時(shí)的高效策略：通過動用空間上分離、編碼上獨(dú)立的神經(jīng)資源，大腦能夠?qū)崿F(xiàn)“內(nèi)視”與“外視”的同步進(jìn)行。 這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對注意機(jī)制和工作記憶的理解，也為解釋人類如何在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)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