A078 Nat Hum Behav | 大脑如何忘掉恐惧？研究揭示人类恐惧记忆消退过程中的表征动态变化
来源：公众号 PSY-Brain_Frontier ｜ 发布：2025-09-23 ｜ 原文链接
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基本信息
Title:Representational dynamics during extinction of fear memories in the human brain
发表时间：2025.8.5
Journal: Nature Human Behaviour
影响因子：15.9
引言
你是否曾有过这样的经历：
在浴室里看到一只蜘蛛，吓得心惊肉跳。家人把它处理掉，并告诉你它无害。理智上，你知道自己安全了。但下一次走进浴室时，那股恐惧感却又不期而至。这个普遍的体验引出了神经科学中的一个核心问题：为什么即使我们有意识地学习到安全，恐惧记忆依然如此顽固？这个学习“安全”的过程，在科学上被称为恐惧消退（fear extinction）。
传统的观点认为，消退是抹去或削弱旧的恐惧记忆。但现代神经科学揭示了一个更为复杂的真相：消退并非删除，而是在大脑中形成一个全新的、抑制性的“安全”记忆，它主动地与旧的“恐惧”记忆进行对抗。这就在我们的大脑中创造了一场旷日持久的拉锯战。最近，一篇发表在《自然·人类行为》（Nature Human Behaviour）上的重磅研究，以前所未有的清晰度，为我们直播了这场记忆之战在人脑深处的实况。
省流总结
这项研究的核心观点是，战胜恐惧并非删除旧的恐惧记忆，而是大脑创造了一个全新的、高度依赖于特定情境的“安全”记忆来压制前者。通过对癫痫患者进行罕见的颅内脑电（intracranial EEG, iEEG）记录，研究人员发现，在消退学习过程中，大脑的“恐惧中心”——杏仁核——会产生一种特定的theta波节律，作为积极的“安全信号”。
研究进一步揭示，旧的恐惧记忆拥有一个更稳定、更固化的神经“指纹”，而新形成的安全记忆则更灵活、更易变。至关重要的是，大脑的“执行总监”——前额叶皮层——会为这个新的安全记忆打上“情境标签”（例如，“只有在这个房间里才是安全的”）。但矛盾的是，这个情境标签打得越具体、越精确，当环境变化时，旧的恐惧就越有可能卷土重来——这就是所谓的“恐惧复发”（fear renewal）。这项研究为“为什么恐惧如此难以根除”提供了直接的神经机制，并为焦虑症的治疗带来了深刻的启示。
Summary of the main results during extinction learning
研究背景
科学界对“忘记”恐惧的理解已经发生了根本性的转变。早期的理论认为，恐惧消退（extinction）会削弱原始的“刺激-威胁”联结（例如，“狗-危险”）。然而，现代神经科学理论，也正是本研究支持的观点，认为消退并非简单的擦除，而是一个主动的、全新的学习过程。在这个过程中，大脑会形成一条新的“抑制性记忆痕迹”（inhibitory memory trace）。这条新记忆并不会取代旧记忆，而是主动地去抑制它的表达。
这条新生的“安全记忆”有一个致命的弱点：它极其脆弱，并与学习它的特定情境（context）牢牢绑定。这就是为什么当情境改变时，旧的恐惧记忆能够轻易地“卷土重来”。这种现象在实验中可以通过“ABC”范式来模拟：在情境A习得恐惧，在情境B进行消退学习，最后在全新的情境C中进行测试，观察恐惧是否复发。
尽管功能性磁共振成像（fMRI）等技术已经帮助我们识别出参与这一过程的核心大脑网络——包括杏仁核（amygdala, AMY）、海马体（hippocampus, HPC）和前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）——但这些技术缺乏足够的时间分辨率，无法捕捉到记忆表征在毫秒级别上的动态变化。另一方面，动物研究虽然揭示了theta振荡等神经活动在恐惧消退中的重要性，但这些机制是否能直接推广到结构和功能都更为复杂的人类大脑，一直是个悬而未决的问题。
因此，科学界迫切需要一种能够在人类大脑中实现高时空分辨率观测的方法，来直接探究情境依赖性恐惧消退过程中，神经表征（neural representations）——即大脑对特定信息的“神经编码”——是如何动态变化的。这正是本研究的核心价值所在。
核心问题
基于上述背景，本研究旨在回答一系列关于人类大脑如何更新恐惧记忆的精确科学问题，从而深入揭示其背后的神经表征动态。 研究的核心问题可以分解为以下几个层面：
- 杏仁核的角色转变：作为大脑的“恐惧中枢”，杏仁核在恐惧消退学习中究竟扮演什么角色？其标志性的theta振荡是继续传递原始的威胁信号，还是转而编码新习得的“安全”信息？
- 记忆的“神经指纹”：我们能否“看见”恐惧记忆和安全记忆在大脑中的不同“形状”或“神经指纹”？与新形成的安全记忆相比，顽固的恐惧记忆是否具有更稳定、更固化的神经表征模式？
- 情境的“管理者”：大脑的哪个区域负责编码和管理“情境”信息？在最初的恐惧习得阶段和后来的消退学习阶段，这个“管理者”的角色是否会发生变化？
- 神经信号的预测能力：在消退学习过程中测量到的这些神经信号，能否预测个体未来的行为和感受？具体来说，它们能否预测恐惧在未来是否会“复发”，以及个体在面对曾经的威胁时能否主观地感到“安全”？
研究方法与实验设计
为了解答这些深刻的问题，研究团队采用了一套精妙的实验设计和前沿的神经记录技术，为我们提供了一个前所未有的、深入观察人类大脑内部运作的窗口。
Fig. 1 | Experimental paradigm, electrode implantation and behavioural results.
独一无二的“大脑之窗”：颅内脑电图(iEEG)
本研究的参与者是49名因临床诊断需要而植入了颅内脑电图（iEEG）电极的癫痫患者。iEEG技术将微小的电极直接放置在大脑深部结构（如杏仁核和海马体）的表面或内部，能够以毫秒级的时间精度和毫米级的空间精度，直接记录神经元群体的电活动。这好比将微型麦克风直接放入大脑的特定“房间”，去倾听神经元们的“交谈”，其信号质量远非头皮脑电图（EEG）或fMRI等非侵入性技术所能比拟。
精心设计的“记忆叙事”：ABC恐惧条件化范式
研究采用了一种经典的“ABC”情境依赖性恐惧消退范式，巧妙地构建了一个关于记忆更新的“故事”。
- 第一幕：恐惧习得（情境A）：在一个特定的背景情境下（例如，一系列雪山风景视频），参与者学习到两个视觉线索（例如，电吹风、烤面包机，被标记为CS+）的出现有50%的概率会伴随一个令人不悦的尖叫声（非条件刺激，US），而第三个线索（例如，风扇，被标记为CS-）则始终是安全的。
- 第二幕：消退学习（情境B）：背景情境切换为另一组完全不同的视频（例如，森林风景）。此时，一个原本危险的CS+线索（现标记为CS+-）不再伴随尖叫声，参与者需要学习它已经变得“安全”。另外两个线索的意义保持不变：一个始终危险（CS++），一个始终安全（CS--）。
- 第三幕：记忆测试（情境C）：在第三个全新的情境中（例如，城市街景），所有线索再次出现，但均不伴有尖叫声。研究者通过观察参与者对不同线索的反应，来检验他们是激活了旧的恐惧记忆（恐惧复发），还是成功提取了新的安全记忆。
这个设计的精妙之处在于CS+-这个线索。它是整个故事的“主角”，是唯一一个意义发生改变的刺激。通过比较大脑对CS+-、CS++和CS--的反应，研究者能够精准地分离出与“记忆更新”（从恐惧到安全）这一核心过程直接相关的神经活动。而CS++和CS--则作为完美的对照组，分别代表了“持续的恐惧”和“持续的安全”。
解码大脑“语言”的利器：表征相似性分析(RSA)
为了破译大脑如何编码这些复杂的记忆信息，研究团队使用了表征相似性分析（Representational Similarity Analysis, RSA）这一强大的计算工具。
我们可以把RSA理解为一种比较“神经指纹”的技术。当参与者看到一个刺激时（比如CS++的烤面包机图片），大脑中多个电极在不同频率上记录到的电活动模式，就构成了一个独一无二的“神经指纹”。RSA通过计算这些指纹之间的相似度，来揭示大脑的表征规律：
- 项目稳定性（Item Stability）：如果每次呈现CS++时，大脑产生的“神经指纹”都高度相似，就说明大脑对这个项目的表征非常稳定。这可以被看作是记忆痕迹巩固程度的一个指标。
- 情境特异性（Context Specificity）：如果在同一情境下（例如，同为雪山背景）的所有试验的“神经指纹”，彼此之间的相似度高于它们与不同情境下（例如，森林背景）试验的相似度，就说明大脑的表征具有“情境特异性”，即大脑在编码刺激信息的同时，也编码了其所处的情境信息。
通过结合iEEG的高精度记录和RSA的精细分析，研究者得以在时空两个维度上，动态地追踪恐惧与安全记忆的形成、竞争与再现。
核心发现
通过对大脑活动的层层解码，研究揭示了一系列环环相扣的发现，共同描绘出人类大脑中恐惧记忆消退的动态图景。这不仅仅是几个孤立的现象，而是一个完整、协调的神经算法的展现。
- 杏仁核的“反转”角色：它在为安全“歌唱”，而非为恐惧“尖叫”
Fig. 2 | Higher theta power in the amygdala for CS− than for CS+ trials during extinction.
传统观点认为，杏仁核的theta波活动（频率约为4−12 Hz）是恐惧和威胁的标志。然而，本研究在消退学习阶段观察到了一个令人意外的现象：与持续危险的CS++线索相比，安全的线索（包括新变安全的CS+-和一直安全的CS--）在杏仁核中引发了显著更高的theta波功率。这一效应主要出现在线索呈现的后期（约1.18−1.75秒），恰好是在预期的尖叫声即将出现（但实际并未出现）的时间点。
这一发现颠覆了对杏仁核theta波功能的传统理解。它表明，在恐惧消退的特定背景下，theta波不再是简单的“威胁探测器”，而是转变为一个积极的“安全信号”。这个信号传递的可能不是“这个东西本身是安全的”，而是一个更复杂的、与学习过程相关的信息：“在这个新的情境下，我正在学习并确认它是安全的”。这标志着杏仁核从一个被动的威胁反应器，转变为一个参与价值更新和认知调节的复杂角色。
- 记忆的“稳定性”之争：恐惧记忆坚如磐石，安全记忆随境而变
Fig. 3 | Item stability in lateral temporal cortex, amygdala and across the extinction network.
利用RSA分析，研究发现恐惧记忆和新形成的安全记忆在神经层面有着截然不同的“质地”。在消退阶段，持续危险的CS++线索的神经表征表现出极高的项目稳定性，即每次出现时，其在大脑中激发的“神经指纹”都高度一致。相比之下，新变安全的CS+-和一直安全的CS--线索的神经表征稳定性则显著更低。这种现象在杏仁核和负责高级视觉处理的颞叶皮层（temporal cortex, TMP）都得到了证实。
这为“为何恐惧如此顽固”提供了一个深刻的神经机制解释。恐惧记忆的神经模式如同被“刻”在大脑中一样，稳定而强大。而新形成的安全记忆则更具“可塑性”和“变异性”，这使得它在面对情境变化时，更容易被那个更稳定、更原始的恐惧记忆所压制。这种神经表征稳定性的差异，构成了恐惧与安全记忆“拔河比赛”的核心物理基础。
- 大脑的情境“交换机”：从海马体到前额叶的“权力交接”
研究进一步探究了大脑如何处理至关重要的“情境”信息，并发现了一个清晰的功能分离和“交接”过程。
- 在最初的恐惧习得阶段，主要由海马体（HPC）负责编码情境信息，表现出显著的情境特异性表征。这与海马体作为“情景记忆中枢”，负责快速编码新事件（“何时、何地、何事”）的经典功能完全一致。
- 然而，到了消退学习阶段，编码情境的“接力棒”被交给了外侧前额叶皮层（lateral prefrontal cortex, lPFC）。在这一阶段，lPFC展现出强烈的情境特异性表征。
Fig. 4 | Context specificity in HPC, lPFC and throughout the extinction network.
这种从海马体到lPFC的转变，反映了学习需求的变化。恐惧习得是一个相对被动的联想过程，由海马体快速捕获情境信息。而恐惧消退则是一个需要主动认知参与的过程。作为大脑的“执行控制中心”，lPFC的介入表明，大脑此时正在主动运用新的情境信息来更新旧的行为“规则”（即“在情境B下，CS+-是安全的”）。“忘记”恐惧并非被动遗忘，而是一个由前额叶主导的、自上而下的认知控制过程。
- 协同作战的网络：一个整合的恐惧消退算法
这些发现并非孤立存在，而是构成了一个紧密协作的神经网络。研究通过跨试次的关联分析发现，在消退学习过程中，这些关键的神经信号是同步变化的。具体来说，杏仁核中更强的theta“安全信号”，与杏仁核及海马体中更高的项目稳定性，以及至关重要的——lPFC中更强的情境特异性，都存在显著的正相关。
Fig. 5 | Amygdala theta power correlates with item stability and context specificity across the extinction network.
这首次在人类大脑中以高分辨率揭示了恐惧消退的完整神经算法：
- lPFC首先识别并表征当前所处的新情境（“这里是安全的”）。
- 这个来自lPFC的情境信号，向下调节并协调负责处理刺激本身的杏仁核和海马体的活动。
-
整个网络的协同作用，最终体现为杏仁核中theta波的增强，即产生了一个明确的“安全信号”。
-
预测未来：神经信号揭示恐惧的复发与内心的安宁
这项研究最激动人心的部分在于，它证明了这些在学习过程中测量到的神经信号，能够准确预测个体未来的行为和主观感受。
- 预测恐惧的复发（Renewal）：研究发现，在消退学习阶段，个体lPFC的情境特异性越强，在后续的测试阶段，其颞叶皮层（TMP）中原始恐惧记忆痕迹（而非新的安全记忆痕迹）的“重现”（reinstatement）程度就越高。这一效应精确地发生在意义发生改变的CS+-线索上。
这是一个看似矛盾却极具临床意义的发现。它意味着，大脑越是精细地将“安全”与特定的消退情境（如治疗室）绑定，就越是将其视为一个“特例”。一旦离开这个特定情境，大脑就更有可能恢复到那个更原始、更泛化的恐惧“规则”上。这为解释为何暴露疗法有时难以从治疗室泛化到日常生活提供了直接的神经证据。
Fig. 6 | Context specificity shifts the balance in reinstatement of fear vs extinction memory traces.
- 预测主观的安全感：研究还发现，在最终的测试阶段，个体颞叶皮层中新的安全记忆痕迹（来自消退学习）的“重现”程度，与他们主观报告的对CS+-线索的安全感评分呈显著正相关。
这个发现完美地闭合了整个环路，将抽象的神经活动模式与个体真切的主观感受联系起来。当大脑成功地“回放”了在安全情境中学到的神经模式时，个体便会报告自己感到安全。这强有力地证明了，新形成的安全记忆痕迹是克服恐惧、产生安全感的神经基础。
Fig. 7 | Reinstatement of extinction memory traces in TMP predicts subjective safety ratings.
编辑部观点
这项研究不仅在细节上令人信服，更在宏观层面为我们理解记忆、情绪及其临床应用提供了深刻的洞见。它是一座桥梁，连接了多个看似独立的领域，并为未来的研究和治疗开辟了新的道路。
理论的融合：一座连接动物与人类、恐惧与记忆的桥梁
首先，本研究有力地连接了基础动物研究与人类神经科学。它证实了在啮齿类动物模型中发现的许多关键机制，如theta振荡和情境依赖性，在人类大脑中同样至关重要，并且以一种更为复杂和精细的方式运作（例如，lPFC在认知控制中的独特角色）。这为将动物模型中的发现转化为对人类精神疾病的理解提供了坚实的神经生理学基础。
更重要的是，该研究巧妙地将恐惧条件化和情景记忆这两个经典的神经科学领域融合在一起。它将恐惧消退学习重新定义为一个高级的认知过程，而不仅仅是简单的刺激-反应联结的改变。研究结果表明，消退学习的本质，是创造一个全新的、富含情境细节的情景记忆（一个关于“安全”的记忆）。这个新的情景记忆必须在未来的某个时刻被成功“提取”，才能与那个更古老、更固化的恐惧记忆相抗衡。这种将恐惧消退视为两种记忆系统竞争的视角，极大地丰富了我们对记忆运作方式的理解。
临床的启示：重新思考焦虑症与创伤后应激障碍的治疗
这项研究的发现对暴露疗法等现有焦虑症治疗手段具有直接的指导意义。前文提到的“情境的悖论”——即过于强调某一特定安全情境，反而可能阻碍安全感的泛化——揭示了当前治疗可能存在的盲点。
基于此，未来的心理治疗或许可以进行革新。例如，治疗师可以在暴露疗法中有意地引入多种、变化的安全情境，而不是局限于单一的治疗室环境。通过在办公室、走廊、甚至虚拟现实构建的公园等不同背景下进行消退学习，可能有助于训练大脑形成一个更泛化、更不依赖于特定情境的“安全记忆”，从而使其在面对真实世界中的挑战时更加稳固，不易复发。
坦诚的局限与未来的方向
作为一项严谨的科学工作，作者坦诚地指出了研究的局限性，这也使其结论更具说服力。首先，研究对象是癫痫患者，他们的大脑网络和记忆功能可能与健康人群存在差异。其次，研究主要依赖参与者的主观评分来衡量恐惧程度，而非客观的生理指标。最后，作为一项开创性的探索性研究，该工作并未进行预注册。
尽管存在这些局限，但本研究的价值是毋庸置疑的。它并非一个终极答案，而是一个里程碑式的发现，为我们提供了一幅前所未有的人类大脑记忆动态图。它为未来的研究开辟了无数可能，例如，如何通过神经调控技术（如经颅磁刺激）来特异性地增强lPFC的功能，以促进安全记忆的泛化？我们能否开发出能够实时监测杏仁核theta“安全信号”的生物反馈疗法？
结语
总而言之，这项研究为我们描绘了大脑中那场永恒的“记忆拔河赛”。理解这场比赛的规则，正是我们帮助数以百万计的焦虑症患者最终赢得内心平静的关键所在。
Author information
第一作者:Daniel Pacheco-Estefan
Department of Basic, Developmental and Educational Psychology, Faculty of Psychology, Autonomous University of Barcelona, Barcelona, Spain.
西班牙巴塞罗那，巴塞罗那自治大学心理学学院，基础、发展与教育心理学系
Department of Neuropsychology, Institute of Cognitive Neuroscience, Faculty of Psychology, Ruhr University Bochum, Bochum, Germany.
德国波鸿，波鸿鲁尔大学心理学学院，认知神经科学研究所，神经心理学系
通讯作者1: Nikolai Axmacher
Department of Neuropsychology, Institute of Cognitive Neuroscience, Faculty of Psychology, Ruhr University Bochum, Bochum, Germany.
德国波鸿，波鸿鲁尔大学心理学学院，认知神经科学研究所，神经心理学系
通讯作者2:Qi Chen（陈琦）
Center for Studies of Psychological Application, and Guangdong Key Laboratory of Mental Health and Cognitive Science, South China Normal University, Guangzhou, China.
华南师范大学心理应用研究中心暨广东省心理健康与认知科学重点实验室；中国，广州
School of Psychology, South China Normal University, Guangzhou, China.
华南师范大学心理学院；中国，广州
Key Laboratory of Brain, Cognition and Education Sciences, Ministry of Education, Beijing, China.
教育部脑认知与教育科学重点实验室；中国，北京
Abstract
Extinction learning—the suppression of a previously acquired fear response—is critical for adaptive behaviour and core for understanding the aetiology and treatment of anxiety disorders. Electrophysiological studies in rodents have revealed critical roles of theta (4–12 Hz) oscillations in amygdala and hippocampus during both fear learning and extinction, and engram research has shown that extinction relies on the formation of novel, highly context-dependent memory traces that suppress the initial fear memories. Whether similar processes occur in humans and how they relate to previously described neural mechanisms of episodic memory formation and retrieval remains unknown. Intracranial EEG recordings in epilepsy patients provide direct access to the deep brain structures of the fear and extinction network, while representational similarity analysis allows characterizing the memory traces of specific cues and contexts. Here we combined these methods to show that amygdala theta oscillations during extinction learning signal safety rather than threat and that extinction memory traces are characterized by stable and context-specific neural representations that are coordinated across the extinction network. We further demonstrate that context specificity during extinction learning predicts the reoccurrence of fear memory traces during a subsequent test period, while reoccurrence of extinction memory traces predicts safety responses. Our results reveal the neurophysiological mechanisms and representational characteristics of context-dependent extinction learning in the human brain. In addition, they show that the mutual competition of fear and extinction memory traces provides a mechanistic basis for clinically important phenomena such as fear renewal and extinction retrieval.
本文解读基于：Representational dynamics during extinction of fear memories in the human brain，Doi: 10.1038/s41562-025-02268-5 IF: 15.9 Q1 B1。核心图表、方法细节、统计结果与讨论见原文及其拓展数据。
分享人：饭哥
审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部
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