Sci Adv：打破传统认知！大脑可以同时“向内看”和“向外看”|眼动|神经科学|视觉

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基本信息

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

发表时间：2025.11.7

发表期刊:Science Advances

影响因子：12.5

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研究背景

想象一下你在拥挤的超市里寻找一款特定包装的饼干。此时，你的大脑正在执行一项高度复杂的任务：一方面，你必须在“心眼”里维持并选中那个饼干包装的心理表征（工作记忆）；另一方面，你的肉眼需要在琳琅满目的货架上（外部环境）搜寻相匹配的目标（视觉搜索）。

这就引出了认知神经科学中一个经典且极具争议的问题：我们的注意力是只能“单线程”工作，还是可以“双管齐下”？

长期以来，主流观点倾向于认为注意力的资源是有限且串行的。传统的理论模型常将大脑状态二分化：我们要么关注外部的感知觉输入，要么关注内部的记忆和思维。在这种框架下，当任务同时需要内部和外部信息时，大脑必须在两者之间快速切换。也就是说，你必须先在脑海中“选中”那个搜索目标，然后再去外部世界“寻找”它，这两个过程在时间上是先后发生的。

然而，这种“排队轮流”的机制在面对现实世界的高速互动时显得过于低效。如果大脑真的需要不断地在内、外模式间切换，我们如何能流畅地进行驾驶、体育竞技或即时对话？

为了解开这个谜题，来自阿姆斯特丹自由大学的Baiwei Liu和Freek van Ede在Science Advances上发表的最新研究设计了一项巧妙的记忆引导视觉搜索任务，试图挑战传统的串行观点，探究大脑是否具备同时处理内部目标选择（Internal Selection）和外部感觉选择（External Selection）的能力。

研究核心总结

本研究通过结合高精度的眼动追踪（Eye-tracking）和脑电图（EEG）技术，利用多变量模式分析（MVPA），为人类大脑中内部与外部选择过程的“并行性”提供了强有力的证据。

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

核心发现：内外部选择在时间上高度重叠

研究团队设计了一个巧妙的实验范式，将工作记忆中被试搜索目标的空间位置（内部空间）与该目标在屏幕呈现的空间位置（外部空间）进行了完全的正交化处理。结果显示：

眼动偏向的同时性：通过分析微眼跳（Microsaccades）和注视偏向，研究发现指向内部记忆表征的眼动偏向与指向外部视觉目标的眼动偏向在大约200毫秒后几乎同时涌现。贝叶斯统计分析有力地排除了两者存在时间延迟的串行假设，表明大脑在启动内部目标检索的同时，就已经开始引导外部的视觉注意。
神经解码的同步性：EEG解码结果复现了眼动数据的发现。研究者能够从同一时间段的脑电信号中，分别且成功地解码出内部记忆项的空间方位和外部搜索目标的空间方位，证实了神经层面上两个选择过程的并行展开。

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

神经机制：基于非重叠的神经表征

既然两个过程同时发生，它们是否会相互干扰？研究通过跨域解码（Cross-domain decoding）和探照灯分析（Searchlight analysis）揭示了其背后的神经机制：

独特的神经拓扑：内部选择相关的神经活动主要集中在前部（Anterior）脑区，而外部选择相关的活动则主要集中在后部（Posterior）感觉脑区。
表征的正交性：虽然分别在内部和外部域内（Within-domain）可以实现高精度的空间解码，但分类器无法在两个域之间进行泛化。这表明，大脑使用截然不同、互不重叠的神经编码来支持内部和外部的选择过程。这种神经表征的正交性（Orthogonality）正是两者能够互不干扰、并行运作的生理基础。

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

行为学意义：无损的并行处理

行为数据显示，即使内部注意的方向与外部注意的方向完全相反（例如：心里想着左边的物体，眼睛看着右边的物体），被试的搜索表现（准确率和反应时）也不会比中性条件差。这进一步佐证了大脑可以在不同空间方向上同时部署内部和外部注意，而不会产生显著的认知代价。

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.

总而言之，这项研究彻底打破了“内部注意与外部注意必须轮流进行”的传统二分法观点。它揭示了大脑在处理目标导向行为时的高效策略：通过动用空间上分离、编码上独立的神经资源，大脑能够实现“内视”与“外视”的同步进行。这一发现不仅深化了我们对注意机制和工作记忆的理解，也为解释人类如何在复杂动态环境中实现高效的感知决策提供了新的理论框架。

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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