感知抉擇皮層環(huán)路機制因果性研究獲進展

【資料簡介】

4月29日，《自然-神經(jīng)科學(xué)》期刊在線發(fā)表了題為《后頂葉皮層在信息歸類感知抉擇中的因果性作用》的研究論文，該研究由中國神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室徐寧龍研究組完成。該研究從一個創(chuàng)新的角度解答了一個具有廣泛爭議的科學(xué)問題：后頂葉皮層及相關(guān)神經(jīng)環(huán)路在抉擇過程中發(fā)揮什么作用。

后頂葉皮層（Posterior Parietal Cortex，簡稱PPC），是大腦中一個處理多種感覺、運動信息的聯(lián)合腦區(qū)，能夠接收來自視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)和軀體感覺系統(tǒng)的信息傳入，同時它的主要輸出目標(biāo)是與運動相關(guān)的腦區(qū)：背外側(cè)前額葉皮層、次級運動皮層、額葉視區(qū)、紋狀體等。其在大腦網(wǎng)絡(luò)中處在感覺-運動整合的關(guān)鍵樞紐位置?；谄渲匾慕馄蕦W(xué)地位，PPC一直以來被認為在大腦功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其已知的或可能參與的功能包括：分類與抉擇、空間導(dǎo)航、運動規(guī)劃、注意等。PPC損傷后會出現(xiàn)感覺-運動不協(xié)調(diào)的癥狀，以及空間感知和記憶受損等認知障礙。

 

在過去的二十多年里，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域大量研究關(guān)注PPC神經(jīng)元在抉擇中的作用。來自哥倫比亞大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、紐約大學(xué)等多個實驗室紛紛發(fā)表研究，表明PPC神經(jīng)元活動與人類或動物的抉擇行為高度相關(guān)。由于實驗技術(shù)的限制，PPC神經(jīng)元活動在抉擇行為中的必要性直到近才開始被研究。然而，近期來自多個實驗室的研究卻得到了與以往觀點不符的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抑制PPC神經(jīng)元并不影響動物在抉擇行為中的表現(xiàn)，也即PPC神經(jīng)元活動與抉擇行為之間可能并沒有因果關(guān)系。既然PPC作為一個參與腦功能的腦區(qū)，同時其神經(jīng)元活動又與抉擇具有高度相關(guān)性，為什么在做抉擇時又不需要它參與呢？這個問題在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)廣泛爭議，令人困惑。并且這一問題引向一系列更深入、更根本的神經(jīng)科學(xué)問題，即抉擇究竟是一個怎樣的過程？其中哪些關(guān)鍵部分需要腦區(qū)的參與？而目前已有的實驗范式是否能夠正確地解析這些過程？

 

為了探索這些基本問題，徐寧龍研究組深入分析了前人關(guān)于PPC參與抉擇的實驗細節(jié)，發(fā)現(xiàn)這些研究中具有一個共同點，即實驗中使用的感覺刺激（視覺或聽覺）都是在行為任務(wù)訓(xùn)練中被反復(fù)呈現(xiàn)過的，所以這些感覺刺激與動作選擇之間的關(guān)聯(lián)很可能已經(jīng)被強化。對于這一細節(jié)的分析和對抉擇過程的深入思考給予了團隊成員關(guān)鍵的啟發(fā)。在現(xiàn)實世界中人類或是動物需要面對變化莫測的新事物，因此許多關(guān)鍵的抉擇過程需要將已經(jīng)形成的范疇或概念泛化到未知事物，對其進行歸類以采取恰當(dāng)?shù)男袆?，而這也正是智能的本質(zhì)。但是，當(dāng)某一未知事物經(jīng)過反復(fù)學(xué)習(xí)并被歸類到熟悉的認知范疇后，再次面對該事物時，動物體可能不再需要作出抉擇判斷，而僅僅提取已經(jīng)建立的關(guān)聯(lián)就可以迅速做出反應(yīng)。這種從抉擇到關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)化，在自然界中往往是有利的，因為動物對于感覺刺激快速可靠的反應(yīng)往往是生存的關(guān)鍵。已學(xué)會的感覺-運動關(guān)聯(lián)由更初級的感覺-運動神經(jīng)環(huán)路介導(dǎo)而不經(jīng)過腦區(qū)PPC進行決策處理將更加快速可靠。該團隊由此提出了新的假說：PPC可能只有在面對未知感覺刺激，做出未經(jīng)過強化訓(xùn)練的抉擇行為時才發(fā)揮作用，而對于已經(jīng)歸類的感覺刺激做出行為反應(yīng)可能并不需要PPC的參與。

 

從這個思路出發(fā)，團隊精心設(shè)計了一系列巧妙的實驗。同以往研究將所有刺激同時進行行為訓(xùn)練的方法不同，該團隊首先僅用少數(shù)感覺刺激（兩個聲音刺激，低頻和高頻）對小鼠進行行為訓(xùn)練。當(dāng)小鼠學(xué)會將這兩個聲音與對應(yīng)的選擇關(guān)聯(lián)之后，才加入介于這兩個頻率之間的聲音作為新刺激來測試小鼠的分類抉擇能力。行為學(xué)實驗結(jié)果表明，即使從未聽過這些新的聲音，實驗小鼠也能夠通過之前學(xué)會的高頻、低頻分類規(guī)則對新聲音刺激做出恰當(dāng)?shù)呐袛?。這時團隊利用光遺傳等神經(jīng)操控技術(shù)抑制PPC活動，發(fā)現(xiàn)實驗小鼠對新刺激的選擇判斷會顯著受損。這些結(jié)果直接支持PPC在對新刺激進行抉擇的過程中發(fā)揮了重要作用。然而，當(dāng)新刺激經(jīng)過幾天訓(xùn)練之后，再對PPC進行抑制時，實驗小鼠的選擇判斷不再受影響，表明感覺刺激經(jīng)過學(xué)習(xí)，已經(jīng)形成類別與行動之間的關(guān)聯(lián)后，不再需要PPC參與。這些結(jié)果直接支持了團隊提出的新假說。

 

同時，該團隊還利用在體雙光子成像技術(shù)對PPC神經(jīng)元群體活動進行跟蹤記錄，發(fā)現(xiàn)大部分PPC神經(jīng)元穩(wěn)定表征訓(xùn)練刺激與抉擇相關(guān)信息，表明PPC神經(jīng)元編碼已經(jīng)建立的分類抉擇。而部分神經(jīng)元則對新刺激和訓(xùn)練刺激有顯著區(qū)分，但在對新刺激學(xué)習(xí)一段時間后則不再區(qū)分新刺激與訓(xùn)練刺激，表明PPC在對新刺激進行歸類學(xué)習(xí)中有一個動態(tài)編碼的過程，對于歸類學(xué)習(xí)可能起關(guān)鍵作用。

 

該研究工作利用新穎的行為學(xué)實驗設(shè)計，結(jié)合雙光子成像技術(shù)、光遺傳和化學(xué)遺傳操縱方法，揭示了PPC在分類抉擇中的作用機制，解釋了研究領(lǐng)域內(nèi)存在的爭議，有助于理解分類與抉擇的神經(jīng)環(huán)路機制。該項工作由博士生鐘林在研究員徐寧龍的指導(dǎo)下完成，博士生張園與博士后段春雨在實驗和數(shù)據(jù)分析上提供重要幫助，工程師潘璟瑋在實驗系統(tǒng)的硬件和軟件上提供關(guān)鍵支持，課題組的其他成員積極參與討論，并得到神經(jīng)所動物平臺和光學(xué)平臺的大力協(xié)助