大脑如何根据约近千亿个分散的神经元的活动产生协调的、目的性的行为是当前认知神经科学领域的重要研究问题之一。动物的简单行为主要依靠大脑的输入和输出的相对简单的交互活动来完成,而人类的行为则具有更大的灵活性。工作记忆,是一种对当前信息进行短暂加工和储存,并对随后的认知活动起着重要作用的认知过程。在此过程中,人类行为的灵活性,表现为大脑整合外部世界多种模式的感觉系统的输入,并且根据输入的感觉信息,依靠运动系统产生输出行为。近几十年的研究表明,大脑中存在能够整合来自不同感觉模式信息的大脑网络(该网络包括前额叶皮层等高级联合皮层和不同模式特异性的初级感觉皮层),可是对大脑的各个脑区,在工作记忆的各个不同加工阶段是如何对外部感觉信息(单一/交叉模式)进行加工,整合和维持的机制,我们并不清楚。本论文的研究目的是解释健康成人被试在触觉单一模式和触觉-视觉交叉模式工作记忆过程中的心理和脑机制。为了达到该目的,在本论文的研究中,我们采用延迟匹配的实验范式,并结合了基于大脑结构像的单脉冲经颅磁刺激和弥散张量成像技术。本论文的实验结果增强了人们对触觉单一模式和触觉-视觉交叉模式工作记忆神经机制的认识。论文包含以下四个部分:第一部分为文献综述。系统全面地回顾了工作记忆的模型,并对触觉单一模式和触觉-视觉交叉模式工作记忆领域的研究现状做了总结。第二部分为研究问题的提出和研究方法背景的介绍。在以往的研究基础上整理待解决的科学问题,结合研究手段,提出本研究的研究可行性和研究假设。第三部分为实验研究。通过行为学实验,单脉冲经颅磁刺激和弥散张量成像技术,本论文在5个相关联的研究中,探究触觉单一模式(研究一、二和三)和触觉-视觉交叉模式(研究四和研究五)工作记忆的神经机制。各个实验的结果如下:研究一的目的是探究初级体感皮层和后顶叶皮层在触觉单一模式工作记忆任务中的因果性作用。当被试在执行触觉延时配对任务时,我们施加基于单个被试大脑功能像的单脉冲磁刺激于同侧初级体感皮层、对侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层。单脉冲磁刺激施加的时间为触觉(触觉持续的时间为200毫秒)开始后的300毫秒、600和900毫秒。结果显示,当在300毫秒、600毫秒和900毫秒施加单脉冲磁刺激于对侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层时,被试执行任务的准确率显著下降;但是在相同的时间点施加于同侧初级体感皮层时,被试在任务中的准确率并没有变化。而且,在当不同的时间点上施加单脉冲磁刺激于对侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层,被试在任务中的准确率并不随刺激时间点的变化而变化。结果表明,在触觉单一模式工作记忆中,触觉信息是由对侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层协同加工,且协同加工从记忆保持的早期阶段开始。在研究二中,使用与研究一相似的实验范式,但将延时时长增加为2000毫秒,探究在触觉单一模式工作记忆下,双侧初级体感皮层、对侧后顶叶皮层和对侧背外侧前额叶的活动与触觉工作记忆行为表现之间的关系。同样的,当被试在执行触觉延时配对任务(延迟时长2000毫秒)时,我们分别施加基于单个被试大脑功能像的单脉冲磁刺激于双侧初级体感皮层、对侧后顶叶皮层和对侧背外侧前额叶。单脉冲磁刺激施加的时间为触觉(触觉持续的时间为200毫秒)开始后的100,200,300,600,1600和1900毫秒。结果显示,当单脉冲磁刺激在100和200毫秒时施加于对侧初级体感皮层,在1600和1900毫秒时施加于同侧初级体感皮层,在100和1600毫秒施加于对侧背外侧前额叶皮层,被试在任务中行为的准确率显著下降;且当单脉冲磁刺激分别施加在对侧背外侧前额叶和同侧初级体感皮层1600毫秒时,分别刺激二个脑区引起的行为变化之间存在相关。综合两个实验的结果表明,在单一模式工作记忆中,对侧初级体感皮层协同对侧背外侧前额叶参与触觉刺激的早期感觉加工阶段,而同侧初级体感皮层协同对侧背外侧前额叶参与到两种模式工作记忆的晚期保持阶段。在研究三中,探究双侧感觉、运动皮层在触觉单一工作记忆中的作用。研究中同样采用触觉工作记忆的延时匹配范式,并结合单脉冲磁刺激和弥散张量成像技术。单脉冲磁刺激施加的时间为触觉(触觉持续的时间为200毫秒)开始后的100、600、100和1600毫秒。结果显示,当单脉冲磁刺激施加于对侧初级感觉皮层、对侧运动皮层的早期感觉加工阶段(100毫秒)和同侧初级感觉、运动皮层的晚期记忆保持阶段(1600毫秒),被试的行为表现显著下降。结合弥散张量的结果显示,同侧初级感觉皮层的行为变化和感觉运动皮层之间的连接概率相关。结果发现,双侧感觉皮层和运动皮层在不同的阶段协同参与触觉工作记忆。研究四探究在触觉-视觉交叉模式工作记忆中,初级体感皮层和后顶叶皮层的加工效应。被试参加一个触觉-视觉交叉模式延迟(时长1000毫秒)匹配任务(实验设计和实验一相似,但第二个刺激为与触觉信息匹配的视觉刺激),在其执行任务的同时,施加单脉冲经颅磁刺激于双侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层。磁刺激的时间点为第一个触觉刺激开始后的300毫秒,600毫秒和900毫秒。结果显示,当单脉冲经颅磁刺激在300毫秒施加到对侧初级体感皮层时,受试者在任务中的准确率会显著下降,并且反应时间会显著增加。并且,当单脉冲经颅磁刺激在600毫秒时施加到对侧后顶叶皮层,受试者在任务中准确率也会显著下降。结果表明,在触觉-视觉交叉模式的工作记忆任务中,对侧初级体感皮层和对侧后顶叶皮层对感觉信息是顺序加工的,且交叉模式信息先由对侧初级体感皮层进行加工,然后传递到后顶叶皮层。在研究五中,使用与研究四相似的实验范式,但将延时时长增加为2000毫秒,探究在触觉-视觉交叉模式相关工作记忆下,双侧初级体感皮层和对侧背外侧前额叶的活动与触觉交叉模式工作记忆行为之间的关系。同样的,当被试在执行触觉延时配对任务(延迟时长2000毫秒)时,我们分别施加基于单个被试大脑功能像的单脉冲磁刺激于双侧初级体感皮层和对侧背外侧前额叶。单脉冲磁刺激施加的时间为触觉(触觉持续的时间为200毫秒)开始后的100,200,300,600,1600和1900毫秒。结果显示,当单脉冲磁刺激在100,200毫秒时施加于对侧初级体感皮层,在1600,1900毫秒时施加于同侧初级体感皮层,被试在触觉交叉模式工作记忆任务中行为的准确率显著下降;且当单脉冲磁刺激分别施加在对侧背外侧前额叶和对侧初级体感皮层300毫秒时,任务准确率均显著下降,分别刺激两个脑区引起的行为变化之间存在相关。结果表明,在触觉-视觉交叉模式工作记忆中,对侧初级体感皮层协同对侧背外侧前额叶参与触觉刺激的早期感觉加工阶段,而同侧初级体感皮层协同对侧背外侧前额叶参与到两种模式工作记忆的晚期保持阶段;在触觉-视觉交叉模式工作记忆的早期保持阶段,对侧体感皮层和对侧背外侧前额叶皮层均参与了跨通道信息的转换。第四部分为实验的总讨论,得出以下推断:一、综合研究一和研究四的结果,我们推断触觉-视觉交叉模式工作记忆的加工早期,交叉模式信息在对侧初级体感皮层和后顶叶皮层之间发生转换。初级感觉皮层在两种模式(触觉单一模式工作记忆和触觉-视觉交叉模式)工作记忆保持阶段中的作用有所不同。二、根据研究二和研究五的结果,我们推断同侧初级体感皮层在两种模式(触觉单一模式工作记忆和触觉-视觉交叉模式)工作记忆晚期保持阶段中作用相似。对侧背外侧前额叶皮层在两种模式(触觉单模式工作记忆和触觉-视觉跨模式)工作记忆的各个阶段都有作用。三、根据研究二和研究三的结果,我们推断双侧感觉运动皮层共同参与触觉工作记忆。在后期保持阶段,同侧的感觉运动皮层的信息可能表征任务的决策信息。四、综合以上五个研究,本论文支持触觉(单一模式和交叉模式)广泛分布的工作记忆网络。