5月5日，Neuron在線發(fā)表了題為《基于任務(wù)結(jié)構(gòu)信息的靈活感知抉擇神經(jīng)環(huán)路機(jī)制》的研究論文。該研究由中國(guó)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)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員徐寧龍課題組完成，首次在神經(jīng)環(huán)路水平揭示了基于任務(wù)結(jié)構(gòu)知識(shí)實(shí)現(xiàn)感知類別靈活決策的大腦運(yùn)算機(jī)制。研究人員利用神經(jīng)環(huán)路光學(xué)記錄和光學(xué)操控技術(shù)，結(jié)合動(dòng)物行為學(xué)范式，發(fā)現(xiàn)來自眶額葉的反饋信息支持聽皮層對(duì)聽覺分類標(biāo)準(zhǔn)的編碼，這種神經(jīng)環(huán)路運(yùn)算符合基于任務(wù)狀態(tài)推斷的強(qiáng)化學(xué)習(xí)計(jì)算模型，可實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)規(guī)則的靈活信息分類。研究人員通過對(duì)這條反饋環(huán)路的精準(zhǔn)干預(yù)，獲得了因果性證據(jù)，支持該環(huán)路運(yùn)算機(jī)制的確在動(dòng)物靈活分類行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該研究成果有利于探索基于知識(shí)的靈活認(rèn)知行為的神經(jīng)環(huán)路運(yùn)算原理?！　?/p>

在變化的環(huán)境中，生物體可以根據(jù)不同的感覺信息做出特定的行為反應(yīng)。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(yīng)，而且可以通過內(nèi)隱學(xué)習(xí)，抽提出多變環(huán)境中的共同結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)在模型或知識(shí)。這種關(guān)于環(huán)境結(jié)構(gòu)的知識(shí)可有效指導(dǎo)動(dòng)物對(duì)環(huán)境狀態(tài)變化形成推斷，從而產(chǎn)生高度適應(yīng)性的智能行為。研究這種靈活抉擇智能行為的神經(jīng)機(jī)制是揭開大腦認(rèn)知之謎的關(guān)鍵。雖然神經(jīng)科學(xué)界對(duì)包括眶額葉在內(nèi)的前額葉腦區(qū)在動(dòng)物行為中的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行了大量研究，然而一個(gè)未被解答的關(guān)鍵問題是——不同腦區(qū)之間如何通過復(fù)雜的環(huán)路連結(jié)協(xié)同工作從而實(shí)現(xiàn)基于推斷的靈活決策？

為了對(duì)上述問題進(jìn)行研究，徐寧龍課題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(yàn)條件下，對(duì)靈活決策的過程進(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(yùn)算機(jī)制。這一行為范式建立在實(shí)驗(yàn)室之前發(fā)展的聽覺分類任務(wù)的基礎(chǔ)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(jù)頻率的高低對(duì)刺激進(jìn)行分類，將分類的結(jié)果通過舔左或舔右的行為做出報(bào)告，從而得到一定量的水作為獎(jiǎng)勵(lì)。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)不同的類別分界線以確定分類規(guī)則。分界線在不同的回合中會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)則的切換。小鼠為了獲取獎(jiǎng)賞，需要根據(jù)行為結(jié)果推斷當(dāng)前的分類規(guī)則，并依據(jù)分類規(guī)則對(duì)同一聲音刺激做出不同的分類。通過這樣的行為范式的設(shè)計(jì)，研究人員利用簡(jiǎn)單的聲音頻率和獎(jiǎng)勵(lì)規(guī)則變化，引導(dǎo)小鼠執(zhí)行基于任務(wù)規(guī)則的靈活抉擇行為。

經(jīng)過訓(xùn)練，小鼠不僅可以按照任務(wù)要求對(duì)聲音刺激進(jìn)行靈活選擇，而且逐漸建立起了利用對(duì)類別分界線的估計(jì)推斷任務(wù)規(guī)則變化的策略。這一行為策略下，當(dāng)類別分界線發(fā)生變化時(shí)，小鼠不僅可以快速地改變自己的選擇，還可利用行為結(jié)果中的不完整反饋信息對(duì)尚未經(jīng)歷過的聲音刺激的類別做出推測(cè)。這一任務(wù)模擬了動(dòng)物利用對(duì)于任務(wù)結(jié)構(gòu)信息的了解，根據(jù)不完整信息推斷環(huán)境變化，從而對(duì)同樣的感覺刺激做出靈活的適應(yīng)性選擇的智能行為。

由于基于推測(cè)的任務(wù)狀態(tài)估計(jì)是隱含的認(rèn)知變量，為了研究對(duì)這種認(rèn)知變量的神經(jīng)編碼和環(huán)路計(jì)算，研究人員建立了一個(gè)包含任務(wù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)推測(cè)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。該模型不僅可以對(duì)小鼠的行為表現(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，還可以對(duì)隱含認(rèn)知變量進(jìn)行估算。

在此基礎(chǔ)上，研究人員利用雙光子在體鈣成像技術(shù)，在小鼠執(zhí)行以上行為任務(wù)時(shí)，對(duì)聽皮層神經(jīng)元進(jìn)行單細(xì)胞分辨率的群體記錄。記錄結(jié)果表明，聽皮層神經(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(duì)類別分界線的推測(cè)這一隱含認(rèn)知變量。該發(fā)現(xiàn)揭示了大腦中的神經(jīng)元如何對(duì)主觀的認(rèn)知過程進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼。

為了進(jìn)一步研究跨腦區(qū)神經(jīng)環(huán)路如何實(shí)現(xiàn)根據(jù)行為結(jié)果計(jì)算類別分界線變化，研究人員根據(jù)以往解剖學(xué)和功能學(xué)研究結(jié)果推測(cè)，自上而下的眶額葉-聽皮層反饋環(huán)路可能在靈活聽覺分類任務(wù)中調(diào)控了聽皮層對(duì)隱含分類邊界的編碼。為了探究這一可能性，研究人員采用全光學(xué)記錄與操控技術(shù)，在對(duì)聽皮層神經(jīng)元進(jìn)行雙光子鈣成像的同時(shí)，通過光遺傳技術(shù)對(duì)同側(cè)眶額葉-聽皮層投射進(jìn)行抑制。結(jié)果顯示，聽皮層對(duì)類別分界線的編碼的確依賴于這一跨腦區(qū)投射的環(huán)路。為了進(jìn)一步獲得因果性證據(jù)來驗(yàn)證眶額葉-聽皮層環(huán)路是否真正參與聽覺靈活分類行為，研究人員利用化學(xué)遺傳學(xué)對(duì)雙側(cè)眶額葉-聽皮層投射進(jìn)行抑制，發(fā)現(xiàn)這時(shí)小鼠靈活分類的能力顯著受損，從而支持了眶額葉-聽皮層投射直接參與聽覺靈活分類這一智能行為，該結(jié)果也與眶額葉通過反饋信息更新聽皮層對(duì)類別分界線編碼這一環(huán)路計(jì)算功能相一致。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證眶額葉-聽皮層反饋環(huán)路是否的確執(zhí)行了基于任務(wù)結(jié)構(gòu)推斷類別邊界線的計(jì)算功能，研究人員利用雙光子在體鈣成像對(duì)從眶額葉投向聽皮層的神經(jīng)元軸突活動(dòng)進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)這些軸突的確編碼了更新類別邊界推斷所需要的反饋信息。

綜上所述，該研究揭示了一個(gè)明確定義的神經(jīng)環(huán)路如何編碼和計(jì)算基于結(jié)構(gòu)知識(shí)的任務(wù)狀態(tài)推測(cè)，從而介導(dǎo)靈活決策的智能行為。該研究對(duì)從神經(jīng)環(huán)路機(jī)制水平理解智能行為和認(rèn)知功能起到了重要的推動(dòng)作用。該研究由腦智卓越中心感知神經(jīng)基礎(chǔ)研究組博士研究生劉彥和等人在徐寧龍的指導(dǎo)下完成，實(shí)驗(yàn)室成員辛宇、崔樂樂、潘璟瑋等做出了重要貢獻(xiàn)。研究工作得到腦智卓越中心研究員楊天明的支持，獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部、中科院和上海市科委的資助。

圖1.腦智卓越中心在靈活分類決策神經(jīng)環(huán)路機(jī)制研究中獲進(jìn)展

圖2.（A）任務(wù)設(shè)計(jì)。小鼠被訓(xùn)練為通過舔左或舔右的行為，報(bào)告其對(duì)于聲音頻率的分類，以獲得一定量的水作為獎(jiǎng)勵(lì)。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，聲音的分界線分別位于10 kHz（低頻分界）和20 kHz（高頻分界）。（B）一次實(shí)驗(yàn)中不同類型段落里小鼠的心理物理曲線。虛線代表小鼠主觀上對(duì)于聲音刺激頻率高低的分界線。誤差代表95%的置信區(qū)間。綠色為低頻分界段落中的心理物理曲線，橙色為高頻分界段落中的心理物理曲線。（C）抑制眶額葉-聽皮層投射影響了聽覺分類的靈活性。（D）在使用雙光子在體鈣成像記錄聽皮層神經(jīng)元活動(dòng)的同時(shí)抑制眶額葉-聽皮層投射活動(dòng)。（E）聽皮層中神經(jīng)元對(duì)于段落類型的編碼依賴于眶額葉-聽皮層投射活動(dòng)。（F）對(duì)于段落類型具有選擇性的聽皮層神經(jīng)元活動(dòng)表征了小鼠對(duì)于類別分界線的估計(jì)，該信息表征依賴于眶額葉-聽皮層投射活動(dòng)。（G）對(duì)眶額葉-聽皮層軸突進(jìn)行雙光子在體鈣成像記錄。（H）眶額葉-聽皮層軸突表現(xiàn)出對(duì)于小鼠抉擇和獎(jiǎng)賞的選擇性。（I）眶額葉-聽皮層軸突活動(dòng)向聽皮層提供了反饋信息。

圖3.實(shí)驗(yàn)圖