不同思维状态的神经时间标记丨深圳大学 · 张剑锋课题组和陈琦课题组

我院张剑锋助理教授和陈琦教授合作指导的博士后龙正坤在Communications Biology期刊在线发表题为“Temporal signatures of thought—Neurodynamics distinguish on- and off-task thoughts”的论文。该论文考察了任务相关思维（on-task thoughts）与任务无关思维（off-task thoughts，即走神/心智游移）在大脑神经动力学上的差异，从脑活动的时间动态特性角度揭示了不同思维状态的神经时间标记（temporal signatures），拓展了对人类自发思维的神经机制的理解。

一、研究背景

人类的思维具有高度动态性，我们的思维常常自发地从当前任务中“游离”，转向与任务无关的内容，这种普遍现象被称为“心智游移”（mind wandering）或“任务无关思维”（off-task thought）。研究表明，人们日常清醒时间中约有30%处于心智游移状态。早在一个多世纪前，心理学家威廉·詹姆斯就将思维比作鸟的生活——在飞翔与栖息之间交替往复，敏锐地捕捉到了思维的动态本质。然而，驱动思维在任务相关与心智游移之间不断波动转换的神经动力学特征是什么，至今仍是一个关键的未解问题。近年来，研究者发展了多种神经动力学指标来刻画脑信号的时间动态模式，如反映时间连续性的自相关窗口（ACW）、反映信息复杂度的Lempel-Ziv复杂度（LZC）、反映快慢频率嵌套关系的功率谱指数（PLE）以及反映频率平衡的中值频率（MF）等，这些指标已被广泛应用于意识、自我和注意等认知领域的研究，但它们与思维状态——尤其是任务相关思维和心智游移——之间的关系在很大程度上仍未被探索。基于此，本研究旨在利用多种EEG神经动力学指标，系统考察任务相关思维与心智游移在大脑时间动态特性上的差异，揭示不同思维状态的“时间标记”（temporal signatures），并探索不同时间尺度上神经动力学指标间的层级组织关系。

二、研究方法

研究团队招募了29名右利手大学生，在完成一项持续运动任务的同时同步记录了64导脑电（EEG）数据和行为反应。实验采用组块设计结合思维取样法，在每个组块末尾通过思维探针要求被试报告此前的注意状态为“任务相关思维”还是“心智游移”。研究在两个时间层级上组织数据分析：组块水平（思维探针前17秒连续EEG数据）和试次水平（刺激前后共3秒EEG数据），分别对应思维的“背景层”与“前景层”。在组块水平上计算了功率谱指数（PLE，反映快慢频率间的时间嵌套性）、中值频率（MF，反映神经活动的时间速度）、自相关窗口（ACW，反映信号的时间连续性）以及Lempel-Ziv复杂度（LZC，反映信号的时间压缩性）；在试次水平上计算了ACW和LZC。研究采用线性混合效应模型检验各神经动力学指标能否区分任务相关思维与心智游移，并采用结构方程模型检验从较长时间尺度（背景层）到较短时间尺度（前景层）的单向影响关系。核心假设是：心智游移运行在更长的时间尺度上，应表现为更高的PLE、更小的MF、更长的ACW和更低的LZC；且不同时间尺度上的神经动力学指标应呈现从背景到前景的层级组织结构。此外，研究团队在另一组独立样本（30名被试）中进行了完整的重复验证。

图1 a实验任务；b数据分析

三、研究结果

（1）相比任务相关思维，心智游移表现出更高的功率谱指数（PLE）和更小的中值频率（MF），表明其神经活动中低频成分占主导地位。PLE反映快慢频率间的嵌套关系，MF反映神经活动的整体速度，两者共同表明心智游移是一种在时间上“更慢”、时间嵌套程度更高的思维形式。

图2 心智游移与任务相关思维在频域神经动力学指标（PLE与MF）上的差异

（2）心智游移表现出比任务相关思维更长的自相关窗口（ACW）。ACW反映大脑信号在时间上保持自相关的持续时长，更长的ACW表明神经活动在更长的时间范围内整合信息。这一结果说明心智游移伴随着更为持久的时间整合过程，对应于一种内部导向的、时间连续性更强的认知状态。

图3 心智游移与任务相关思维在自相关窗口（ACW）上的差异

（3）心智游移表现出比任务相关思维更低的Lempel-Ziv复杂度（LZC）。LZC反映神经信号的信息复杂度和可压缩程度。这一结果说明心智游移伴随着更为重复、可压缩的神经活动模式，而任务相关思维则具有更高的信息多样性。

图4 心智游移与任务相关思维在Lempel-Ziv复杂度（LZC）上的差异

（4）神经动力学指标与行为表现的关系。心智游移伴随着更慢且更不稳定的反应时，而更高的PLE、更长的ACW和更高的cvLZC均预测了更慢的行为反应。中介分析进一步揭示了指标间的层级关系：ACW通过影响LZC和PLE间接作用于行为表现，表明ACW在更深层的“背景”水平上运作，而LZC和PLE则更直接地与“前景”行为执行相关。

图5 神经动力学指标对行为反应时的预测及中介效应

（5）神经动力学的时间背景-前景层级结构差异性地塑造了任务相关思维与心智游移。结构方程模型表明，较长时间尺度（组块水平）的神经动力学指标单向地塑造较短时间尺度（试次水平）的指标，而反向关系不成立，揭示了从“背景”到“前景”的层级组织。多组比较进一步发现，任务相关思维中背景与前景层的耦合更为紧密，而心智游移中二者的耦合显著减弱，提示背景-前景层级间耦合程度的松紧变化可能是区分两种思维状态的关键机制。这一发现或许也有助于理解心智游移为何表现出更高的PLE、更长的ACW和更低的LZC等独特的神经动力学特征：心智游移可能较少受到外部任务短时需求的约束，更多地运行在较长时间尺度的“背景”层，从而倾向于受慢频率主导的背景动态影响，表现出更慢、更持续且信息压缩程度更高的时间动态模式。

图6 基于结构方程模型的时间背景-前景层级结构及其在两种思维状态间的差异

四、研究结论

本研究系统揭示了任务相关思维与心智游移在EEG神经动力学时间特征上的显著差异。心智游移表现出更高的时间嵌套性（更大的PLE、更小的MF）、更强的时间连续性（更长的ACW）以及更高的时间压缩性（更低的LZC），表明两种思维状态具有截然不同的神经动力学特征——心智游移运行在更长、更慢的时间尺度上，而任务相关思维则运行在更短、更快的时间尺度上。更重要的是，研究发现不同时间尺度上的神经动力学指标构成了一种从“背景”到“前景”的层级组织结构：较长时间尺度（组块水平，17秒）上的神经动态单向地塑造较短时间尺度（试次水平，3秒）上的神经动态，而非相反。这一背景-前景结构在两种思维状态中的表现方式不同：任务相关思维中长短时间尺度之间的耦合更为紧密，而心智游移中二者的耦合则更为松散，这种松散的耦合可能使得内部导向的心理活动得以主导，从而促进了心智游移的发生。这些发现为近期提出的“大脑动态层级模型”（Dynamic Layer Model of Brain, DLB）提供了实证支持，并提示神经动力学层面的时间尺度差异可能以“通用货币”的方式在心理层面得到对应体现——即思维的时间特征可能是连接神经活动与心理体验的桥梁。

五、作者贡献

深圳大学心理学院博士后龙正坤为论文的第一作者，上海交通大学傅小兰教授为论文的共同作者，深圳大学心理学院陈琦教授、张剑锋助理教授、渥太华大学Georg Northoff教授为论文的共同通讯作者。本研究受到国家重点研发计划（2024YFC3606800）、科技创新2030-重大项目（注意的神经环路机制研究-注意的神经计算模型，2021ZD0203800）以及国家自然科学基金（32571283、32201129）等项目的资助。

六、参考文献

Long, Z., Fu, X., Chen, Q., Zhang, J., & Northoff, G. (2026). Temporal signatures of thought—Neurodynamics distinguish on- and off-task thoughts. Communications Biology, 9(1), 437. https://doi.org/10.1038/s42003-026-09715-7

编　　辑 | 李依恒

图文供稿 | 龙正坤

校　　对 | 林毓臻

责　　编 | 罗玉霖

审　　核 | 郭田友　高　亮

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