發(fā)布時(shí)間：2021-05-06
2021年5月5日，《Neuron》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《基于任務(wù)結構信息的靈活感知抉擇神經(jīng)環(huán)路機制》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的徐寧龍研究組完成。該研究首次在神經(jīng)環(huán)路水平揭示了基于任務(wù)結構知識實(shí)現感知類(lèi)別靈活決策的大腦運算機制?！ ?/p>
研究人員利用全新的神經(jīng)環(huán)路光學(xué)記錄和光學(xué)操控技術(shù)，結合新穎的動(dòng)物行為學(xué)范式，發(fā)現來(lái)自眶額葉的反饋信息支持聽(tīng)皮層對于聽(tīng)覺(jué)分類(lèi)標準的編碼，這種神經(jīng)環(huán)路運算符合基于任務(wù)狀態(tài)推斷的強化學(xué)習計算模型，可實(shí)現基于任務(wù)規則的靈活信息分類(lèi)。研究人員通過(guò)對這條反饋環(huán)路的精準干預，獲得了因果性證據，支持該環(huán)路運算機制的確在動(dòng)物靈活分類(lèi)行為中起關(guān)鍵作用。該研究成果對于探索基于知識的靈活認知行為的神經(jīng)環(huán)路運算原理起到關(guān)鍵的推動(dòng)作用?！ ?/p>
在變化的環(huán)境中，生物體可以根據不同的感覺(jué)信息做出特定的行為反應。在哺乳動(dòng)物中，得益于大腦新皮層的演化，這種功能得到了高度發(fā)展，動(dòng)物不僅可以做出簡(jiǎn)單的刺激-反應，而且可以通過(guò)內隱學(xué)習，抽提出多變環(huán)境中的共同結構，形成內在模型，或知識。這種關(guān)于環(huán)境結構的知識可以有效的指導動(dòng)物對于環(huán)境狀態(tài)變化形成推斷，從而產(chǎn)生高度適應性的智能行為。研究這種靈活抉擇智能行為的神經(jīng)機制是揭開(kāi)大腦認知之謎的關(guān)鍵。
雖然神經(jīng)科學(xué)界對于包括眶額葉在內的前額葉腦區在動(dòng)物行為中的神經(jīng)活動(dòng)作了大量研究，然而一個(gè)未被解答的關(guān)鍵問(wèn)題是，不同腦區之間如何通過(guò)復雜的環(huán)路連結協(xié)同工作從而實(shí)現基于推斷的靈活決策？
為了對這一問(wèn)題進(jìn)行研究，徐寧龍研究組在頭部固定的小鼠上建立了靈活感知抉擇的行為范式，以便在實(shí)驗條件下，對靈活決策的過(guò)程進(jìn)行可控的記錄和分析，并在這一行為范式中，研究其背后的神經(jīng)環(huán)路運算機制。這一行為范式建立在實(shí)驗室之前發(fā)展的聽(tīng)覺(jué)分類(lèi)任務(wù)的基礎上，每個(gè)回合中，小鼠會(huì )接收到一個(gè)特定頻率的聲音刺激，并根據頻率的高低對刺激進(jìn)行分類(lèi)，將分類(lèi)的結果通過(guò)舔左或舔右的行為作出報告，從而得到一定量的水作為獎勵。為了在任務(wù)中引入行為靈活性的成分，研究人員在任務(wù)中加入了兩個(gè)不同的類(lèi)別分界線(xiàn)來(lái)確定分類(lèi)規則。分界線(xiàn)在不同的回合中會(huì )發(fā)生變化，實(shí)現任務(wù)規則的切換。小鼠為了獲取獎賞，需要根據行為結果推斷當前的分類(lèi)規則，并依據分類(lèi)規則對同一聲音刺激做出不同的分類(lèi)。通過(guò)這樣的行為范式的設計，研究人員巧妙的利用簡(jiǎn)單的聲音頻率和獎勵規則變化，引導小鼠執行基于任務(wù)規則的靈活抉擇行為。
經(jīng)過(guò)訓練，小鼠不僅可以按照任務(wù)要求對聲音刺激進(jìn)行靈活選擇，而且逐漸建立起了利用對于類(lèi)別分界線(xiàn)的估計推斷任務(wù)規則變化的策略。這一行為策略下，當類(lèi)別分界線(xiàn)發(fā)生變化時(shí)，小鼠不僅可以快速地改變自己的選擇，還可以利用行為結果中的不完整反饋信息對尚未經(jīng)歷過(guò)的聲音刺激的類(lèi)別作出推測。
這一任務(wù)模擬了動(dòng)物利用對于任務(wù)結構信息的了解，根據不完整信息推斷環(huán)境變化，從而對同樣的感覺(jué)刺激做出靈活的適應性選擇的智能行為。
由于基于推測的任務(wù)狀態(tài)估計是隱含的認知變量，為了研究對這種認知變量的神經(jīng)編碼和環(huán)路計算，研究人員建立了一個(gè)包含任務(wù)結構和狀態(tài)推測的強化學(xué)習模型，這一模型不僅可以對小鼠的行為表現進(jìn)行準確模擬，還可以對隱含認知變量進(jìn)行估算。
在此基礎上，研究人員利用雙光子在體鈣成像技術(shù)，在小鼠執行以上行為任務(wù)時(shí)，對聽(tīng)皮層神經(jīng)元進(jìn)行單細胞分辨率的群體記錄。記錄結果表明，聽(tīng)皮層神經(jīng)元不僅表征了聲音刺激本身，有部分神經(jīng)元還直接編碼了對于類(lèi)別分界線(xiàn)的推測這一隱含認知變量。這個(gè)發(fā)現揭示了大腦中的神經(jīng)元如何對主觀(guān)的認知過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的編碼。
為了進(jìn)一步研究跨腦區神經(jīng)環(huán)路如何實(shí)現根據行為結果計算類(lèi)別分界線(xiàn)變化，研究人員根據以往解剖學(xué)和功能學(xué)研究結果推測，自上而下的眶額葉-聽(tīng)皮層反饋環(huán)路可能在靈活聽(tīng)覺(jué)分類(lèi)任務(wù)中調控了聽(tīng)皮層對隱含分類(lèi)邊界的編碼。為了探究這一可能性，研究人員采用了全光學(xué)記錄與操控技術(shù)，在對聽(tīng)皮層神經(jīng)元進(jìn)行雙光子鈣成像的同時(shí)，通過(guò)光遺傳技術(shù)對同側眶額葉-聽(tīng)皮層投射進(jìn)行抑制。發(fā)現聽(tīng)皮層對于類(lèi)別分界線(xiàn)的編碼的確依賴(lài)于這一跨腦區投射的環(huán)路。
為了進(jìn)一步獲得因果性證據來(lái)驗證眶額葉-聽(tīng)皮層環(huán)路是否真正參與聽(tīng)覺(jué)靈活分類(lèi)行為，研究人員利用化學(xué)遺傳學(xué)對雙側眶額葉-聽(tīng)皮層投射進(jìn)行抑制，發(fā)現這時(shí)小鼠靈活分類(lèi)的能力顯著(zhù)受損，從而支持了眶額葉-聽(tīng)皮層投射直接參與聽(tīng)覺(jué)靈活分類(lèi)這一智能行為，這一結果也與眶額葉通過(guò)反饋信息更新聽(tīng)皮層對類(lèi)別分界線(xiàn)編碼這一環(huán)路計算功能相一致。
最后，為了進(jìn)一步驗證眶額葉-聽(tīng)皮層反饋環(huán)路是否的確執行了基于任務(wù)結構推斷類(lèi)別邊界線(xiàn)的計算功能，研究人員利用雙光子在體鈣成像對從眶額葉投向聽(tīng)皮層的神經(jīng)元軸突活動(dòng)進(jìn)行記錄，發(fā)現這些軸突的確編碼了更新類(lèi)別邊界推斷所需要的反饋信息。
綜上所述，該研究系統而完整的揭示了一個(gè)明確定義的神經(jīng)環(huán)路如何編碼和計算基于結構知識的任務(wù)狀態(tài)推測，從而介導靈活決策的智能行為。該成果對于從神經(jīng)環(huán)路機制水平理解智能行為和認知功能起到了重要推動(dòng)作用。
（A）任務(wù)設計。小鼠被訓練為通過(guò)舔左或舔右的行為，報告其對于聲音頻率的分類(lèi)，以獲得一定量的水作為獎勵。任務(wù)采用的聲音刺激為七個(gè)按音程均勻分布在7 kHz到28 kHz之間的純音。在不同的段落中，聲音的分界線(xiàn)分別位于10 kHz（低頻分界）和20 kHz（高頻分界）。（B）一次實(shí)驗中不同類(lèi)型段落里小鼠的心理物理曲線(xiàn)。虛線(xiàn)代表小鼠主觀(guān)上對于聲音刺激頻率高低的分界線(xiàn)。誤差代表95%的置信區間。綠色為低頻分界段落中的心理物理曲線(xiàn)，橙色為高頻分界段落中的心理物理曲線(xiàn)。（C）抑制眶額葉-聽(tīng)皮層投射影響了聽(tīng)覺(jué)分類(lèi)的靈活性。（D）在使用雙光子在體鈣成像記錄聽(tīng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)的同時(shí)抑制眶額葉-聽(tīng)皮層投射活動(dòng)。（E）聽(tīng)皮層中神經(jīng)元對于段落類(lèi)型的編碼依賴(lài)于眶額葉-聽(tīng)皮層投射活動(dòng)。（F）對于段落類(lèi)型具有選擇性的聽(tīng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)表征了小鼠對于類(lèi)別分界線(xiàn)的估計，該信息表征依賴(lài)于眶額葉-聽(tīng)皮層投射活動(dòng)。（G）對眶額葉-聽(tīng)皮層軸突進(jìn)行雙光子在體鈣成像記錄。（H）眶額葉-聽(tīng)皮層軸突表現出對于小鼠抉擇和獎賞的選擇性。（I）眶額葉-聽(tīng)皮層軸突活動(dòng)向聽(tīng)皮層提供了反饋信息。
該工作由中科院腦智卓越中心感知的神經(jīng)基礎研究組的博士研究生劉彥和等人在徐寧龍研究員的指導下完成，實(shí)驗室成員辛宇、崔樂(lè )樂(lè )、潘璟瑋等做出了重要貢獻。研究過(guò)程中得到腦智卓越中心楊天明研究員的大力支持。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院和上海市科委的資助。
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