感知抉擇皮層環(huán)路機(jī)制因果性研究獲進(jìn)展

【資料簡(jiǎn)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(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐寧龍研究組完成。該研究從一個(gè)創(chuàng)新的角度解答了一個(gè)具有廣泛爭(zhēng)議的科學(xué)問(wèn)題：后頂葉皮層及相關(guān)神經(jīng)環(huán)路在抉擇過(guò)程中發(fā)揮什么作用。

后頂葉皮層（Posterior Parietal Cortex，簡(jiǎn)稱PPC），是大腦中一個(gè)處理多種感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)信息的聯(lián)合腦區(qū)，能夠接收來(lái)自視覺(jué)系統(tǒng)、聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)和軀體感覺(jué)系統(tǒng)的信息傳入，同時(shí)它的主要輸出目標(biāo)是與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)：背外側(cè)前額葉皮層、次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、額葉視區(qū)、紋狀體等。其在大腦網(wǎng)絡(luò)中處在感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)整合的關(guān)鍵樞紐位置。基于其重要的解剖學(xué)地位，PPC一直以來(lái)被認(rèn)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃、注意等。PPC損傷后會(huì)出現(xiàn)感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)的癥狀，以及空間感知和記憶受損等認(rèn)知障礙。

 

在過(guò)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(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)室紛紛發(fā)表研究，表明PPC神經(jīng)元活動(dòng)與人類或動(dòng)物的抉擇行為高度相關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，PPC神經(jīng)元活動(dòng)在抉擇行為中的必要性直到近才開(kāi)始被研究。然而，近期來(lái)自多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究卻得到了與以往觀點(diǎn)不符的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抑制PPC神經(jīng)元并不影響動(dòng)物在抉擇行為中的表現(xiàn)，也即PPC神經(jīng)元活動(dòng)與抉擇行為之間可能并沒(méi)有因果關(guān)系。既然PPC作為一個(gè)參與腦功能的腦區(qū)，同時(shí)其神經(jīng)元活動(dòng)又與抉擇具有高度相關(guān)性，為什么在做抉擇時(shí)又不需要它參與呢？這個(gè)問(wèn)題在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)廣泛爭(zhēng)議，令人困惑。并且這一問(wèn)題引向一系列更深入、更根本的神經(jīng)科學(xué)問(wèn)題，即抉擇究竟是一個(gè)怎樣的過(guò)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(shí)驗(yàn)范式是否能夠正確地解析這些過(guò)程？

 

為了探索這些基本問(wèn)題，徐寧龍研究組深入分析了前人關(guān)于PPC參與抉擇的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)這些研究中具有一個(gè)共同點(diǎn)，即實(shí)驗(yàn)中使用的感覺(jué)刺激（視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)）都是在行為任務(wù)訓(xùn)練中被反復(fù)呈現(xiàn)過(guò)的，所以這些感覺(jué)刺激與動(dòng)作選擇之間的關(guān)聯(lián)很可能已經(jīng)被強(qiáng)化。對(duì)于這一細(xì)節(jié)的分析和對(duì)抉擇過(guò)程的深入思考給予了團(tuán)隊(duì)成員關(guān)鍵的啟發(fā)。在現(xiàn)實(shí)世界中人類或是動(dòng)物需要面對(duì)變化莫測(cè)的新事物，因此許多關(guān)鍵的抉擇過(guò)程需要將已經(jīng)形成的范疇或概念泛化到未知事物，對(duì)其進(jìn)行歸類以采取恰當(dāng)?shù)男袆?dòng)，而這也正是智能的本質(zhì)。但是，當(dāng)某一未知事物經(jīng)過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)并被歸類到熟悉的認(rèn)知范疇后，再次面對(duì)該事物時(shí)，動(dòng)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?yàn)閯?dòng)物對(duì)于感覺(jué)刺激快速可靠的反應(yīng)往往是生存的關(guān)鍵。已學(xué)會(huì)的感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)由更初級(jí)的感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路介導(dǎo)而不經(jīng)過(guò)腦區(qū)PPC進(jìn)行決策處理將更加快速可靠。該團(tuán)隊(duì)由此提出了新的假說(shuō)：PPC可能只有在面對(duì)未知感覺(jué)刺激，做出未經(jīng)過(guò)強(qiáng)化訓(xùn)練的抉擇行為時(shí)才發(fā)揮作用，而對(duì)于已經(jīng)歸類的感覺(jué)刺激做出行為反應(yīng)可能并不需要PPC的參與。

 

從這個(gè)思路出發(fā)，團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了一系列巧妙的實(shí)驗(yàn)。同以往研究將所有刺激同時(shí)進(jìn)行行為訓(xùn)練的方法不同，該團(tuán)隊(duì)首先僅用少數(shù)感覺(jué)刺激（兩個(gè)聲音刺激，低頻和高頻）對(duì)小鼠進(jìn)行行為訓(xùn)練。當(dāng)小鼠學(xué)會(huì)將這兩個(gè)聲音與對(duì)應(yīng)的選擇關(guān)聯(lián)之后，才加入介于這兩個(gè)頻率之間的聲音作為新刺激來(lái)測(cè)試小鼠的分類抉擇能力。行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使從未聽(tīng)過(guò)這些新的聲音，實(shí)驗(yàn)小鼠也能夠通過(guò)之前學(xué)會(huì)的高頻、低頻分類規(guī)則對(duì)新聲音刺激做出恰當(dāng)?shù)呐袛唷＿@時(shí)團(tuán)隊(duì)利用光遺傳等神經(jīng)操控技術(shù)抑制PPC活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)小鼠對(duì)新刺激的選擇判斷會(huì)顯著受損。這些結(jié)果直接支持PPC在對(duì)新刺激進(jìn)行抉擇的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。然而，當(dāng)新刺激經(jīng)過(guò)幾天訓(xùn)練之后，再對(duì)PPC進(jìn)行抑制時(shí)，實(shí)驗(yàn)小鼠的選擇判斷不再受影響，表明感覺(jué)刺激經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，已經(jīng)形成類別與行動(dòng)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(tuán)隊(duì)提出的新假說(shuō)。

 

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還利用在體雙光子成像技術(shù)對(duì)PPC神經(jīng)元群體活動(dòng)進(jìn)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?jiǎng)t對(duì)新刺激和訓(xùn)練刺激有顯著區(qū)分，但在對(duì)新刺激學(xué)習(xí)一段時(shí)間后則不再區(qū)分新刺激與訓(xùn)練刺激，表明PPC在對(duì)新刺激進(jìn)行歸類學(xué)習(xí)中有一個(gè)動(dòng)態(tài)編碼的過(guò)程，對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(jī)制，解釋了研究領(lǐng)域內(nèi)存在的爭(zhēng)議，有助于理解分類與抉擇的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。該項(xiàng)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(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析上提供重要幫助，工程師潘璟瑋在實(shí)驗(yàn)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(dòng)物平臺(tái)和光學(xué)平臺(tái)的大力協(xié)助