人类大脑如何在瞬息万变的视觉输入中构建稳定而连贯的知觉世界？序列依赖（sequential dependence）是理解这一过程的关键现象：当前知觉不仅取决于即时输入，也受到前一时刻感知内容的影响。有趣的是，这种影响呈现出两种看似矛盾的形式——有时当前知觉会被“拉向”前一刺激（吸引效应），有时则被“推开”（排斥效应）（图1）。吸引效应多出现在高级认知阶段如决策，而排斥效应则常见于早期视皮层。这两种效应为何并存？其背后的神经机制如何协调运作？
图1：序列依赖效应示意图。在 Adjustment task 实验范式中，被试需要报告当前试次的光栅方向。其报告结果会受到前一试次方向的影响，主要表现为两种模式：排斥效应与吸引效应。排斥效应指当前试次的感知方向会偏向远离前一试次方向；反之，吸引效应则指其报告方向会偏向靠近前一试次方向。
清华大学心理与认知科学系弭元元副教授与华南师范大学心理学院陈霓虹教授团队在NeurIPS 2025上发表的最新研究中，构建了一个双层连续吸引子神经网络模型（CANN），首次将短时程抑制（STD）与短时程增强（STF） 两种突触可塑性机制整合于同一计算框架（图2），系统揭示了序列依赖中排斥与吸引效应的神经基础。
图2：具有两种短时可塑性（STP）的双层连续吸引子网络（CANN）。(A) 网络模型示意图。该层级化的双层结构分别模拟了视觉皮层中以突触短时抑制（STD）为主的加工过程，以及高级后感知皮层中以突触短时促进（STF）为主的加工过程。每一层内的兴奋性神经元按照其偏好方向 θ 排列成一维环状结构，并受到全局抑制（灰色实心圆）。层内与层间的神经元通过颜色渐变的连线连接，以表示突触连接强度。(B) STD 主导的网络表现出一种在低水平上维持的适应性突触效能。在刺激期间（阴影区域），神经活动（r）会提高神经递质释放概率（u），同时消耗可用的神经递质浓度（x）。刺激结束后，u 和 x 会恢复到基线水平。(C) STF 主导的网络则在较长时间内保持较高的突触效能（即较大的 u 值）。
该模型将低层网络设定为STD主导，模拟早期视觉皮层的快速适应特性：前一刺激消耗局部突触资源，导致后续刺激的神经表征偏离原方向，形成排斥。排斥在刺激间隔较短时最强，并随STD恢复时间衰减，与心理物理实验高度吻合。高层网络则由STF主导，模拟决策脑区：先前刺激留下的活动痕迹持续数秒，增强突触效能，使后续感知偏向历史方向，形成吸引。吸引在间隔短于STF衰减时间时最显著，并能在部分无报告条件下解释吸引源于知觉判断，而非物理刺激本身。
这一双层连续吸引子网络模型成功解释了人类心理物理实验的序列依赖效应：在同一试次中，由 STD 引发的排斥会从低层网络传递到高层网络，使两层都表现出与前一刺激方向相背的偏移；而跨试次中，由 STF 维持的记忆痕迹会在高层网络中持续影响即将到来的刺激处理，从而产生吸引偏差。模型不仅重现了两种效应的方向和强度，也精确再现了它们的时间依赖模式，为理解序列依赖的整体神经机制提供了统一解释。
进一步地，该研究为两阶段贝叶斯推理框架提供了生物学实现路径（图3）。模型低层的STD机制对应贝叶斯中的“似然削弱”，使感知偏离前一刺激；高层的STF机制则对应“先验增强”，使决策偏向历史信息。随着新刺激输入，高层网络通过突触效能调制自然生成后验分布，实现了神经动力学层面的贝叶斯推理。
图 3：基于短时程可塑性的序列依赖贝叶斯解释。(A) 贝叶斯解释示意图。方向刺激（黑色曲线）引发神经群体反应（蓝色曲线，似然），通过读取权重整合（绿色分布）形成后验决策。神经适应引起排斥效应；近期刺激历史增强决策权重，产生吸引效应。(B) STP 与贝叶斯推理的对应关系。底部：低层神经元对先前提示信号和当前刺激的响应导致神经递质耗竭（灰色曲线），近期刺激引发更强的排斥，形成群体反应的净排斥偏差（蓝色曲线）。中部：低层反应（蓝色曲线，似然）传递到高层网络，高层神经递质释放概率（绿色曲线，先验）偏向提示目标。顶部：高层群体反应（蓝色曲线）显示来自同次试验刺激的排斥偏差，以及对先前提示目标的吸引偏差。
总体而言，本研究通过构建短时程抑制与增强的两阶神经网络，首次将排斥与吸引统一为同一神经动力学系统在不同层级的涌现，以阐明大脑如何在对新信息的敏感性与对历史信息的整合能力之间实现平衡。这一框架不仅系统解释了大脑在毫秒到数秒的时间尺度的序列依赖效应，也为理解感知—决策环路中稳定性与灵活性的协同机制开辟了新方向。
本研究由我系弭元元课题组科研助理张修宁担任第一作者，我系弭元元副教授与华南师范大学陈霓虹教授为共同通讯作者。清华大学博士研究生吕欣澄对研究作出了重要贡献。北京大学心理与认知科学学院罗欢教授和张惠惠助理研究员在科学问题的提出和机制研究方面作出了重要贡献。
本研究获以下项目资助：科技创新2030重大专项（项目号：2021ZD0203705，2021ZD0203600，2021ZD0204103）、国家自然科学基金（重点项目3193005、创新研究群体科学基金T2421004）以及广东省脑认知与人的素质发展基础学科研究中心（项目号：2024B0303390003）。
论文链接：
https://openreview.net/forum?id=rzJkKeliDK
教师简介
弭元元
心理与认知科学系副教授、博士生导师
研究方向：计算神经科学
