全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第12期
2010年12月
Vol. 22, No. 12
Dec., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)12-1229-06
收稿日期：2010-07-09
基金项目：国家自然科学基金项目(30530270)
通讯作者：E-mail: yuanma0716@vip.sina.com
大脑前额叶是怎样处理空间信息的
马原野1,2
(1 中国科学院昆明动物研究所，昆明 650223；2 中国科学院生物物理研究所，脑与认知科学国家重点实验室，
北京 100101)
摘　要：我们的大脑可能使用多个参考系来处理空间信息，比如使用“自我为中心的参考系”和“以
大环境为参考系”来处理空间信息。灵长类大脑前额叶位于大脑皮层额叶的前端，尽管对前额叶在脑
高级功能中的作用谁都不会怀疑，但很多具体的细节还是不甚清楚，比如背侧大脑前额叶在处理工作记
忆信息时，是否处理所有的空间工作记忆信息？该文首先回顾对前额叶的研究情况，然后讨论背侧前额
叶在处理自我为中心的空间信息中的作用，最后指出背侧前额叶仅对自我为中心的空间信息处理负责，
而与大环境为中心的空间信息处理无关。
关键词：大脑前额叶；灵长类；工作记忆；自我为中心空间参考系
中图分类号：Q954.52; Q427 文献标识码：A
How does the prefrontal cortex process the spatial information
MA Yuan-ye1,2
(1 Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650223, China; 2 State key Laboratory of
Brain and Cognition Science, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract：When our brain processes the spatial information, it may use several information frames to process
it, e.g. an allocentric spatial frame (using the geometrical relation between objects in space as reference, inde-
pendent from the observer’s position) and a egocentric spatial frame (using the observer’s position as the
reference). The prefrontal cortex (PFC) is the anterior part of the frontal lobes of the brain in primates. Although
the importance of the PFC for higher-order cognitive functions is largely undisputed, many details are still not
clear. For example whether the dorsal-lateral PFC (dlPFC) involved in all of the spatial information processing in
the working memory (WM) process. In this paper, we will briefly introduce the PFC and the problems we meet about
the top down information processing in PFC and will discuss the egocentric reference frame located in the
dlPFC. We will then emphasize that the dlPFC is related to egocentric information process
Key words：Prefrontal cortex; primate; working memory; egocentric spatial frame.
大脑前额叶是位于灵长类动物和人大脑半球额
部的一块皮层，这块皮层和灵长类高度发达的智力
有明显的关系，被称为“脑中之脑”。从系统发
育上，人们已经知道前额叶占大脑皮质总表面积的
比例是随动物的进化程度而逐渐增加的。如图1所
示，在食肉目动物中，前额叶的面积仅占皮层表面
积的 5%~7％；在黑猩猩，面积增加到 17％左右。
到了现代人类，其面积增加到 33％。在个体发育
中，前额叶成熟也是最晚的，要到 25 岁后才完成
最后的发育[1]。
关于前额叶的功能，尽管人们已进行了近一个
世纪的研究，但对其功能仍然不十分清楚。从广义
的角度上说，和其它联合皮质相比，前额叶与灵长
类高度发育的智力、心理过程和认知功能最为相
关，对于这一点，无人会提出异议。但这块皮层
1230 生命科学 第22卷
的具体功能，它与其它皮层之间的关系都是未知
的。很可能，这块皮质改变了灵长类与环境的相互
关系，使得灵长类摆脱了“遗传脑”的束缚，神
经系统的发育与环境的关系更密切，脑的可塑性更
强，从而不但能主动适应环境还能主动改造环境。
总之，对这块皮层功能的探讨可能是21世纪脑科学
研究的最重要领域之一。
在对非人灵长类动物前额叶功能的研究中，一
个重要的发现就是接受前额叶切除手术的动物不能
完成延缓反应——一种涉及到短期记忆的任务。对
前额叶与记忆关系的研究，可追溯至20 世纪30 年
代。当时就职于耶鲁大学的拉什利的学生Jacobsen
发现，切除前额叶背外侧部，动物不能够完成一种
称为延缓反应的任务。在这个任务中，实验者在猴
的注视下将一小块食物放在位于猴前方左右两个小
孔之一中，然后将这两个小孔盖住。降下位于猴和
小孔之间的木板，经过几秒至几十秒的延缓后，升
起木板。这时，猴必须根据记忆( 食物在左边小
孔，还是右边小孔)去移动盖在有花生的小孔上的
物体，以得到食物(图2)。在正常的猴子，这种延
缓时间可达几十秒，可是在切除前额叶背侧部的猴
子中，哪怕这种延缓时间只有几秒，猴子也记不住
食物究竟是在左边还是右边。由于完成这个任务的
关键是在延缓期间猴子能否记住延缓前食物是放在
什么位置，Jacobsen 提出前额叶与短时记忆有关[1,3]。
在其后的一段时间内，前额叶的记忆功能学说
颇为流行。但是，继 Jacobsen 之后，一些人相继
使用了与他相似和某些方面修改过的方法去研究前
额叶。在这些人中，美国的 Malmo 发现如果在延
缓期间不放下隔板，而是熄灭电灯，使动物处于黑
图1 不同动物前额叶的发育状况[2]
图2 延缓反应任务示意图[4]
延缓反应任务，从左自右： 1 在动物注视的情况下，将食物放在两个孔之一中；2 将孔用不透明物体盖住，并降下猴笼
前面的隔板，这时猴子得努力记住是哪个孔中有食物；3 数秒中后，升起隔板，猴子根据记忆去拿取食物
1231第12期 马原野：大脑前额叶是怎样处理空间信息的
暗中，那么前额叶损伤猴的成绩和正常猴无明显区
别[5]。因此，影响延缓反应的因素不仅仅是前额叶
的存在与否，而且还与测试动物的环境有关。如果
损毁前额叶是影响到记忆过程，尤其是信息的存储
过程，那么无论环境条件如何，动物的成绩都将较
差。因为延缓反应不可能在没有记忆参与的条件下
进行。这样，Jacobsen 和 Malmo 的两种实验方法
所带来的差异是令人深思的。尽管Malmo 的工作曾
给延缓反应留下了一系列问题，但损伤前额叶后，
非人灵长类在延缓反应方面的缺陷在多数研究中还
是得到了重复。
由于短期记忆理论面临着一些无法解释的现象，
因此，近半个世纪以来，关于前额叶的功能还存在
着“选择性注意理论”、“运动编程理论”等诸
多的理论。“选择性注意理论”认为前额叶猴不能
始终将注意力放在所进行的测试任务上，是影响空
间延缓反应的原因；“运动编程理论”认为前额叶
动物不能够组织一系列为完成这个任务所需的运动。
也有的人认为延缓反应能力的丧失是多因素的。
到了20世纪70年代，美国加州大学的Fuster
利用微电极技术首次记录了猕猴前额叶神经元电活
动。微电极技术是将一根直径仅数个微米的微电极
插入脑中，当电极的尖端非常靠近某个神经元时，
就能将这个神经元细胞膜上的电位变化检拾下来，
检拾下来的信号经过微电极放大器放大数千倍后，
我们就可观察这个神经元的电位变化与动物感觉或
行为的关系。通过研究某个区域神经元的行为来推
断这个区域的功能。Fuster发现在猴进行延缓反应
时，某些神经元特异性地在延缓期间增加放电的频
率。由于延缓期间动物需记住某些信息，而这些神
经元同感觉运动并没有直接的关系，表明这些神经
元同短期记忆有关。此后，不少工作证实了这个发
现，这为前额叶记忆理论再次开亮了绿灯。基于这
些发现，当代在前额叶研究中颇具影响的耶鲁大学
教授Goldman-Rakic[3]提出了前额叶工作记忆的理
论，认为前额叶的主要功能是实时(On Line)地保持
住信息，以完成有目的的行为。由于前额叶与感觉
联合皮质有着如此精细的联系，因而Goldman-Rakic
曾推论：(1) 前额叶皮层与其它感觉联合皮层的联系
对完成工作记忆有重要的责任，有关的信息，比如
空间视觉信息就是通过顶叶——前额叶通路进入前
额叶的；(2) 工作记忆是前额叶最主要的功能。基
于多年对前额叶形态学成功的研究，她系统地描绘
出了相应的神经通路。
1993 年，美国科学院院士，时任美国神经科
学会主席的Goldman-Rakic教授和她的同事Wilson博
士在Science 杂志上发表文章，指出前额叶背侧部
与空间工作记忆有关，腹侧部与非空间工作记忆有
关[6]。这样，几乎在前额叶的工作记忆理论被广泛
接受的同时，人们也广泛接受了这个“背腹分治”
的理论。尽管此时，也有一些研究指出这种空间分
治并不总是事实，但在当时，这些研究结果并未引
起人们的重视。然而在20 世纪90 年代中后期，曾
几乎成定论的前额叶空间、非空间功能背腹分治的
理论却遭到了质疑，一些证据表明，前额叶腹侧部
同样也涉及到空间工作记忆过程[7]。为此，1997年
在美国新奥尔良召开的美国神经科学年会上，空间
背腹分治理论的主要倡导者，美国耶鲁大学教授
Goldman-Rakic在数千听众的特别报告会上，进行了
一场“保卫战”。虽然这场保卫战已经过去了十多
年，而且在此期间Goldman-Rakic 教授因意外车祸
英年早逝，之后就职于中科院昆明动物研究所的
Wilson 博士也因病逝世，但目前对于这种背腹分治
的理论的争论还是硝烟未尽。
虽然Goldman-Rakic教授提出了背侧前额叶主
要和处理空间信息有关，但这个论点还是显得太过
于简单化了，我们知道脑内的空间信息处理是具有
多样性的，具有很多不同的空间坐标系。我们的知
识，甚至我们的常识告诉我们，我们生活的空间可
以根据参考系的不同而不同。请设想我们置身于天
安门广场，当我们面对天安门时，我们左边是人民
大会堂，右边是历史博物馆。而当我们面对前门
时，我们右边则成了人民大会堂，历史博物馆则
“转”到了我们的左手侧。在这里我们使用了我们
的身体来作为参考系。当我们的身体发生易位时，
参考系里的东西也都做相应的易位。这种以我们身
体构成的参考系我们称为“自我中心参考系”，另
一种参考系则用我们所处的环境来作参考系。在这
种参考系中，参考系不随观察者位置的变动而变
动，例如，不管观察者位于天安门的哪个地方，我
们都可用一个不变的坐标系来描述天安门广场，比
如，大会堂位于广场西侧，历史博物馆位于东侧。
在这里，观察者只是这个大坐标系中的一个变量。
一些研究表明视觉信息在初级视觉皮质处理
后，分腹背两路向更高级的中枢投射，背侧中枢投
射到顶叶联合皮质，腹侧投射到颞叶视区[8](图3)。
接受背侧纤维投射的顶叶联合皮质与自我为中
心的空间过程有密切的关系。顶叶皮层受损后，一
1232 生命科学 第22卷
个明显的现象就是单侧忽视。这种病人对受伤皮层
对侧的身体、外界的刺激视而不见(图4)。比如右
侧顶叶受损的病人在剃胡须时，往往只剃右侧的胡
须，而“忘”了剃左边的。再以天安门广场为例，
让右顶叶受损的病人想象他们位于天安门广场，且
面对天安门，让他们描述出周围的情景。对于他们
右侧的景物，如历史博物馆，他们基本能描述清
楚；但对于左边，如大会堂的景物，他们却无法
描述。此时，如让他们设想面朝前门，再问其周
围的景物，他们则能很好地描述出大会堂一侧的景
物，而对原来能很好描述的博物馆一侧的景物却又
显得无能为力。如果损伤的是位于颞叶腹侧的视觉
联合皮质，病人则不能认识物体的形状和人的面
孔。这块皮层被认为与非空间视觉有关。
那么，视觉的空间信息和非空间信息在什么地
方交汇呢？一些观点认为在前额叶。这是因为从顶
叶和颞叶，视觉信息被进一步送向前额叶，其中，
从顶叶发出的纤维中止在前额叶背侧部，颞叶发出
的纤维中止在腹侧前额叶。Goldman-Rakic 认为这
个结果是对其学说有力的支持。然而，麻省理工学
院Miller实验室却发现，前额叶腹侧部同样和空间
过程有关，就此，他们撰文称空间信息和非空间信
息是在前额叶交汇的，而且腹外侧前额叶也处理空
间信息[7 ]。遗憾的是，迄今为止，我们并没有发
现前额叶受损的病人显现出空间、非空间信息分离
的现象。在分析了Goldman-Rakic 和 Miller实验室
的方法后，我们发现他们在实验方法上有着很大的
差异，而如果仅仅简单地考虑空间、非空间这两个
因素的话，这种差异很可能被忽略。下面让我们来
分析他们方法的差异。在Goldman-Rakic 的实验
室，在暗示期，屏幕上除了提示空间位置的光点
外，别无其它图形，也就是说其背景是贫乏的。要
完成任务，动物只能用光点在我的左边或右边这样
的信息来记住光点的位置，而在Miller 的实验室，
呈现给动物的图形远比Goldman-Rakic 的要丰富的
多，动物可以利用不同的物体信息及其空间信息，
而不仅仅是单纯的左右信息来帮助记忆。
很多研究表明切除前额叶背侧部的猴在猕猴行
为测试装置中进行工作记忆的能力确实出现异常。
那么，在自然生活状态下的前额叶切除猴是否也表
现出这种异常呢？初步的研究显示我们得到的是阴
性的结果[11,12]。为了更精确地探讨这个问题，在国
家自然科学基金委重点项目的支持下，我们探讨了
前额叶主沟区切除的猕猴在不同条件下进行延缓反
应的能力(图5)。与切除前相比，这些猕猴在行为
测试装置中的成绩同以往的研究结果一样，猴子的
成绩明显降低。但若让这些猴在自由活动状态下，
在室外进行延缓反应，成绩又会是怎样呢？我们在
猴子的目视下，将食物藏在室外的某些地方，如某
幢房屋与某棵树之间的草丛中，然后将猴子带离现
场约20 m 远，并且使现场不在猴子的视野范围内
(比如说从房前转到房后等)，这时要求猴子返回现
场寻找食物。有趣的是，所有前额叶切除猴的成绩
图3 空间视觉通路和非空间视觉通路[9]
视觉信息到达初级视觉皮层后，分两路往高级皮层传，背
侧传向顶叶，主要和视觉空间信息处理有关，腹侧部传向
颞叶，主要和物体信息处理相关
图4 忽视症患者的绘画 [10]
由右侧顶叶损伤导致忽视症的患者所画的图(右侧)可以看
出，当他在临摹左侧的图案时，忽视了图案左侧的结构，
只临摹了右边的结构
1233第12期 马原野：大脑前额叶是怎样处理空间信息的
同术前相比，都没有显著的变化，虽然这种延缓反
应的延缓时间远比在猕猴行为测试装置中的长得多。
我们进一步在其中一些猴上进行了更多的测
试，分别给予它们两种不同的任务。在任务 1 中，
当猴用手去压操作按钮的时候，在位于其前方的计
算机屏幕的左边或右边便闪现出一个小圆形，这个
小圆形呈现时间约为500 ms。小圆形消失后是1 s
左右的延缓期。延缓期结束后，小圆形再次呈现在
屏幕的左边或右边。如果延缓前后小圆呈现的位置
都是相同的(比如说都在左边)，那么猴要继续压按操
作按钮2 s，如果延缓前后，小圆不在相同位置(如
延缓前在左边，延缓后在右边)，那么猴得立即释放
操作按钮。如果做对了，它将得到糖水作为奖励。
在另一个任务中(图6)，当猴压动操作按钮启
动任务时，一个大圆形出现在屏幕的中央持续约
500 ms，同时在大圆形内某一个地方，出现一个小
光点。经 过1 s 的延缓后，大圆形随机呈现在屏
幕的不同地方，同时在大圆形内，出现一个小圆
形。如果此时小圆出现的地方是延缓前光点出现的
地方，那么，动物要继续压按操作按钮 2 s，如
果小圆形出现的地方不是延缓前光点出现的地方，
那么动物须立即释放操作按钮。做对了，得到糖水
奖励。
切除前额叶主沟区的猴都无法完成第一个任
务，但对第二个任务，都能达到 9 0％的正确率。
显然，在第一个任务中，由于没有参照物，
动物只能用它自己作为参照物。而在第二个任务
中，猴子可用大圆作为参照物。我们的研究结果清
楚的表明了前额叶背侧部在以自我为参考系的空间
中进行工作记忆的重要性。在第二个任务中，我们
在延缓后，使刺激物随机地呈现在屏幕上，主要是
为了避免动物用它自己做参考系。另外，延缓前后
的刺激物形状不一样，是为了防止动物将刺激物作
为一个图形来记忆，所以，在暗示期我们用光点，
而在反应期我们用小圆形。事实上，即使是一个二
维的图形，它也有复杂的空间几何关系。比如，角
与角、角与边的关系等等。除了边界模糊的色团
外，很难在自然界找到没有空间构型的物体，尽管
这种空间关系可能只是二维的。
我们的结果清楚地显示了前额叶背侧部，至少
是前额叶主沟区在自我为中心的空间过程中的作
用。那么这种作用的意义是什么呢？我们知道，在
动物界数千种动物中，只有人、大猿、海豚、大
象和鸽子少数几种动物能认识自己的镜像，这种能
力被认为是自我意识产生的萌芽。形态学研究结果
表明，这种能力和小脑齿状核与前额叶主沟区的纤
维连接有密切的关系，也就是说，前额叶在其中扮
演了重要的角色。设想如果我们很多人从头到脚都
穿一模一样的长袍，并且除了眼睛外，脸也用相同
的布盖住，站在镜子前，你怎么去判别镜子里的何
图5 不同空间坐标系
当动物在自由活动状态下，它既可以用“左右”信息来构
建“自我为中心的空间坐标系”，也以用周围的景物来构
造“以大环境为参考系的空间坐标系”
图6 延缓匹配任务示意图
动物要记住的是大圆和圆点的几何关系，在这个任务中，动物不能用“自我为中心的空间坐标系”来处理大圆和圆点的
关系
1234 生命科学 第22卷
人是你呢？显然，你会挥挥手，晃晃头，看镜子
里的谁和你作同样的动作，这里，实际上是一个自
我的、本体的感觉信息和视觉信息的整合过程。显
然，小脑和前额叶共同参与了这个整合过程。再
者，前额叶的皮层—皮层直接纤维联系在前额叶的
功能中一定扮演着十分重要的角色，这种直接纤维
联系曾被认为同工作记忆有很大的关系，但一系列
新近的研究表明这种理论是不对的，那么这种联系
的意义是什么呢? 我们的研究表明，在前额叶背侧
部，一些神经元可能同动物的体态语言和“精神图
象”有关，而语言和精神图象在自我意识的产生
中，有着十分重要的作用。这样看来，背侧部前
额叶以自我为中心的空间功能可能不仅仅同工作记
忆有关，而更可能同“自我意识”的产生有着相
当密切的关系。这在临床研究中也有证据，比如，
前额叶损伤的病人不能判别一个物体和他的身体在
尺寸上的关系，如让他调整两根水平杆之间的距
离，使其身体刚好能过去，病人要完成这样的任务
就感到很困难[13]。
这样，我们勾画出了背侧前额叶同自我为中心
的空间过程的关系，那么，什么地方和与大环境相
关的空间过程相关呢？大量研究表明，啮齿类动物
的海马存在一些称为位置神经元的细胞，这些神经
元对空间位置编码，这种编码也是需要以大环境为
参考系的空间参考系。我们在猕猴上的研究也表明
猕猴海马存在位置神经元，这样在猕猴上，至少海
马同以大环境为参考系的空间过程信息处理有关。
我们利用在自由活动的猕猴脑上进行神经元胞外电
活动记录的技术，记录了在室内自由活动猕猴的海
马电活动。我们发现海马的一些神经元特异性地为
室内某个空间位置编码，而同猕猴自身的空间朝向
等信息无关(图7) ；而在背侧前额叶，神经元电活
动和动物的左右前后有关，而同动物所处的空间位
置无关[11,12]。
前额叶以自我为中心的空间过程可能是灵长类
自我意识起源的神经生物学基础。在讨论脑对视觉
信息等感觉信息的处理过程时，单纯用空间、非空
间来描述大脑有关的过程显然是不够的。对空间信
息来说，还应该考虑不同空间参考系的问题。另
外，如何来定义非空间信息过程也是值得研究的，
即使是一个二维的图形，也存在空间信息。在过去
的研究中，对这些方面的问题注意不够很可能就是
很多研究结果相互矛盾的原因。在考虑了上述因素
后，我们就有可能将这些表面上相互矛盾的结果统
一在一个原理之下。
[参 考 文 献]
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Raven Press, 1986
图7 猕猴海马place cell对空间位置的编码
图示某个海马Place cell 发放和空间位置的关系，可以看见
当动物位于“东北”角时，神经元发放最厉害