9月20日，《神經(jīng)元》期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、中科院靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間感知課題組的題為《通過結(jié)合決策信號(hào)的測量與微電流刺激的干擾兩種方法來解析大腦神經(jīng)元信息的讀碼機(jī)制》的研究論文。在該研究工作中，科研人員在清醒獼猴執(zhí)行空間運(yùn)動(dòng)方向辨別任務(wù)的同時(shí)，記錄了大腦皮層中上顳葉內(nèi)側(cè)皮層、中顳葉皮層和腹頂內(nèi)皮層三個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元反應(yīng)，通過數(shù)學(xué)方法分離了這些反應(yīng)中的兩種成份，即神經(jīng)元編碼的感知覺信息，和與獼猴認(rèn)知決策的信號(hào)，并通過微電流刺激干擾的技術(shù)手段，分別檢測了三個(gè)腦區(qū)中的神經(jīng)元信息被下游讀取的優(yōu)先級(jí)別和權(quán)重。
大腦對(duì)空間的感知包括兩個(gè)重要階段：一個(gè)是編碼階段，即外界環(huán)境中的聲、色、光等刺激通過各種感官傳入大腦中樞，激活了處理相應(yīng)感覺刺激的神經(jīng)元元件，從而把外界刺激分別編碼在相應(yīng)神經(jīng)元的電活動(dòng)中，例如偏好特定運(yùn)動(dòng)方向、空間朝向或者空間特定位置的細(xì)胞；二是解碼或讀碼階段，即這些神經(jīng)元的電信號(hào)經(jīng)過神經(jīng)系統(tǒng)的層級(jí)傳遞，被下游神經(jīng)元抽提信息，最終轉(zhuǎn)化為大腦對(duì)外界刺激的感知，并在此基礎(chǔ)上形成最終的決策，做出特定的行為。大腦神經(jīng)元的編碼機(jī)制已經(jīng)有廣泛的研究，但是其第二階段關(guān)于解碼的研究工作還相對(duì)較少，具體解碼機(jī)制也不清楚。其中一個(gè)重要的方法是在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物執(zhí)行認(rèn)知決策任務(wù)的同時(shí)，測量相應(yīng)感覺神經(jīng)元的電發(fā)放波動(dòng)中哪些是與抉擇相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。雖然至今在許多感覺皮層中都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與決策相關(guān)的信號(hào)，但是這些信號(hào)究竟能否直接反映神經(jīng)元所編碼的信息被大腦讀取和利用以形成抉擇，還是只是反映了大腦在形成抉擇之后，再反饋給上游神經(jīng)元的一個(gè)下行信號(hào)，一直都存在著激烈的爭論。這些爭論目前都只停留在理論層面上，爭論的雙方都缺乏有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。
在該研究工作中，神經(jīng)所研究生余雪菲和空間感知課題組組長顧勇訓(xùn)練獼猴通過眼動(dòng)來報(bào)告它們所感知到的光流在空間中的運(yùn)動(dòng)方向，并在獼猴執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)，記錄了上顳葉內(nèi)側(cè)皮層（MST）、中顳葉皮層（MT）和腹頂內(nèi)皮層（VIP）三個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元胞外電生理活動(dòng)，通過數(shù)學(xué)方法分離了兩種成份，一是神經(jīng)元所編碼的視覺運(yùn)動(dòng)方向信息，即感覺成份；二是與獼猴認(rèn)知決策相關(guān)的成份，即決策信號(hào)。分析發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)腦區(qū)中，感覺信號(hào)并不是一直與決策信號(hào)保持一致，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相反的情況，比如某些神經(jīng)元偏好編碼向左運(yùn)動(dòng)，每次神經(jīng)元發(fā)放增強(qiáng)的時(shí)候，應(yīng)該促使獼猴更多的選擇向左運(yùn)動(dòng)（“感覺-決策一致細(xì)胞”，圖中左下角細(xì)胞），但在行為上獼猴卻是更多地選擇向右運(yùn)動(dòng)（“感覺-決策相反細(xì)胞”）。利用微電流刺激進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在MST和MT皮層中通過微電流人為興奮這兩類細(xì)胞時(shí)，都能顯著地使獼猴的認(rèn)知決策發(fā)生偏差，并且偏差的方向都趨向于被電刺激興奮的神經(jīng)元所編碼的偏好感覺信息方向，而不是決策信號(hào)所反映的方向。微電流刺激“感覺-決策一致細(xì)胞”對(duì)獼猴認(rèn)知決策產(chǎn)生的偏差要大于刺激“感覺-決策相反細(xì)胞”一倍左右，表明了前者的讀碼權(quán)重要大于后者（圖中間粗細(xì)箭頭分別表示）。微電流刺激VIP神經(jīng)元卻不能影響獼猴的認(rèn)知決策，提示這個(gè)腦區(qū)的運(yùn)動(dòng)信息在當(dāng)前任務(wù)中并沒有被下游腦區(qū)所讀取和利用。
這些直接實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次解析了大腦皮層神經(jīng)元所編碼的感覺信息和獼猴表現(xiàn)的決策相關(guān)信息在解碼過程中的作用，為關(guān)于決策信號(hào)在感知覺皮層中作用的長期爭論提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明大腦神經(jīng)元信息的讀碼權(quán)重不僅與特定腦區(qū)有關(guān)，還與特定腦區(qū)中的特定神經(jīng)元集群有關(guān)。此外通過建模，該研究還提出了一定的理論預(yù)期，即兩類神經(jīng)元集群之間存在負(fù)相關(guān)的噪音，有待于后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。
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