The Impact of Topological Changes on Visual Working Memory in Schizophrenia: Evidence from Behavioral and EEG Measures

人类的大脑是组织大师。当我们观察世界时，大脑并不仅仅是记录下一堆混乱的色彩和线条；它们会立即将这些细节组合成连贯的物体。这种将杯子视为一个整体，而非仅仅是曲线和手柄的集合体的能力，依赖于一种被称为“拓扑学”的特定结构信息。简单来说，拓扑学指的是物体的基本形状，即使其表面细节发生变化，这种形状依然保持不变。例如，一个带有把手的咖啡杯有一个孔，而一个实心球则没有。这种存在或不存在孔的区别是一种拓扑属性。它是物体身份中一种深刻且稳定的特征，我们的脑部似乎优先处理这一特征，注意到它的速度往往比注意到颜色或精确轮廓的变化更快、更可靠。这种优先级也延伸到了我们的视觉工作记忆中——即我们在脑海中短暂保留图像以用于执行任务的心理工作空间。

然而，这种心理归档系统可能会发生故障。在精神分裂症（一种严重的心理健康状况）中，患者通常在工作记忆方面面临困难，难以留住视觉信息或将不同的特征整合为一个清晰的整体图像。虽然已知这些患者存在记忆问题，但科学家们长期以来一直在探究，问题是否具体在于大脑如何处理这些深层的结构形状。一个人的大脑是否仍然将物体的基本形状视为最重要的记忆对象，还是这种特殊的优先级已经丧失？理解这一点可以揭示核心问题究竟是由于无法清晰地看待世界，还是由于无法将所见之物组织成可用的记忆。

来自安徽医科大学及中国多家医院的研究团队通过观察人们如何记忆形状来试图回答这个问题。他们招募了两组成年人：31名临床稳定的精神分裂症患者和32名健康个体。所有参与者的年龄都在18至45岁之间，视力正常，且至少完成了九年正规教育。患者均在定期服用针对其病情的药物，且并未处于急性精神病发作期。在正式实验前，研究人员评估了患者的症状以及所有参与者的通用认知能力，以确保对比的公平性。

实验在一个安静的房间内进行，参与者坐在距离电脑屏幕约两米处。他们被展示了一系列几何形状，其中一些带有孔，另一些则没有，并呈现出各种颜色。在每一次试验中，参与者必须记住其中四个形状及其位置。经过短暂的停顿后，屏幕上会出现一个新形状，参与者必须判断该形状的轮廓是否与之前在同一位置看到的形状相匹配。研究人员仔细控制了这些变化。有时轮廓发生了变化，有时颜色发生了变化，有时则是基本结构发生了变化——具体而言，即形状是否有孔。至关重要的是，研究人员操纵了这些特征，使“孔”的状态要么与轮廓的变化相匹配，要么与之矛盾。这种设置使他们能够观察到，尽管任务仅要求判断轮廓，但大脑是否会自动利用“孔”的信息来辅助或阻碍记忆任务。

结果显示，对于健康人群而言，大脑确实在使用这种结构信息。当形状的孔状态与轮廓的变化相匹配时，健康参与者在任务中的准确度和速度都更高。这仿佛他们的脑部正在将物体的深层结构身份作为一个可靠的锚点。然而，精神分裂症患者表现出了不同的模式。虽然他们并非完全无法察觉结构的变化，但他们利用这种信息来提升记忆能力的效率显著降低。他们的整体准确率低于健康组，且结构一致性所提供的辅助增益对他们而言也小得多。这表明，虽然患者仍能看到形状，但他们的大脑在将这种深层结构知识整合进工作记忆以指导决策方面的效率较低。

为了了解在这些时刻大脑内部发生了什么，研究人员在参与者的头部放置了电极，以记录电活动。他们专注于已知与持有信息和做出决策相关的特定脑波。他们观察了负责决策的前额叶区域以及位于后脑、负责处理视觉的枕叶区域的活动。他们发现，在健康人群中，当物体的结构发生变化时，大脑在 beta 频率范围内的电信号会发生特定的变化。这种变化被认为反映了大脑正在更新其对物体的内在认知图景。而在精神分裂症患者身上，这种更新信号发生了改变。他们的脑部在形状结构变化时，未能表现出同样的灵活性反应，这表明他们在实时更新物体的心理图像方面存在困难。

此外，研究人员还检查了大脑不同部分之间的沟通情况。在健康参与者中，当形状结构发生变化时，大脑后部的视觉区域与前部的决策区域之间的连接会以特定的节奏增强。这种加强的连接可能有助于大脑将视觉输入与记忆任务进行协调。然而，精神分裂症患者并未表现出这种根据任务需求强化连接的能力。当结构信息变得相关时，他们的脑部似乎较难将视觉处理中心与记忆中心进行灵活地链接。

这些发现描绘了精神分裂症中一种特定类型的困难。患者并非仅仅是遗忘事物，而是难以利用物体最基本、最稳定的特征来辅助记忆。他们的大脑似乎并不像健康大脑那样优先处理物体的深层结构身份，且通常负责这一过程的神经网络响应性也较低。这项研究表明，精神分裂症中的记忆问题可能源于大脑如何组织和更新视觉信息的深层问题，而非仅仅是简单的存储空间不足。尽管研究人员指出其样本量相对较小，且无法完全排除药物效应的影响，但结果指向了一个方向：在研究记忆障碍时，需要关注大脑如何构建物体的身份。这项工作表明，深入理解这些疾病的路径，或许在于研究大脑如何感知世界的结构，而非仅仅是其表面细节。