感知抉擇皮層環路機制因果性研究獲進展

【資料簡介】

4月29日，《自然-神經科學》期刊在線發表了題為《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，該研究由中國神經科學研究所、腦科學與智能技術創新中心、神經科學國家重點實驗室徐寧龍研究組完成。該研究從一個創新的角度解答了一個具有廣泛爭議的科學問題：后頂葉皮層及相關神經環路在抉擇過程中發揮什么作用。

后頂葉皮層（Posterior Parietal Cortex，簡稱PPC），是大腦中一個處理多種感覺、運動信息的聯合腦區，能夠接收來自視覺系統、聽覺系統和軀體感覺系統的信息傳入，同時它的主要輸出目標是與運動相關的腦區：背外側前額葉皮層、次級運動皮層、額葉視區、紋狀體等。其在大腦網絡中處在感覺-運動整合的關鍵樞紐位置。基于其重要的解剖學地位，PPC一直以來被認為在大腦功能中發揮關鍵作用，其已知的或可能參與的功能包括：分類與抉擇、空間導航、運動規劃、注意等。PPC損傷后會出現感覺-運動不協調的癥狀，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，神經科學領域大量研究關注PPC神經元在抉擇中的作用。來自哥倫比亞大學、普林斯頓大學、哈佛大學、紐約大學等多個實驗室紛紛發表研究，表明PPC神經元活動與人類或動物的抉擇行為高度相關。由于實驗技術的限制，PPC神經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果，發現抑制PPC神經元并不影響動物在抉擇行為中的表現，也即PPC神經元活動與抉擇行為之間可能并沒有因果關系。既然PPC作為一個參與腦功能的腦區，同時其神經元活動又與抉擇具有高度相關性，為什么在做抉擇時又不需要它參與呢？這個問題在神經科學領域引發廣泛爭議，令人困惑。并且這一問題引向一系列更深入、更根本的神經科學問題，即抉擇究竟是一個怎樣的過程？其中哪些關鍵部分需要腦區的參與？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于PPC參與抉擇的實驗細節，發現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）都是在行為任務訓練中被反復呈現過的，所以這些感覺刺激與動作選擇之間的關聯很可能已經被強化。對于這一細節的分析和對抉擇過程的深入思考給予了團隊成員關鍵的啟發。在現實世界中人類或是動物需要面對變化莫測的新事物，因此許多關鍵的抉擇過程需要將已經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的行動，而這也正是智能的本質。但是，當某一未知事物經過反復學習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，而僅僅提取已經建立的關聯就可以迅速做出反應。這種從抉擇到關聯的轉化，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往往是生存的關鍵。已學會的感覺-運動關聯由更初級的感覺-運動神經環路介導而不經過腦區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，做出未經過強化訓練的抉擇行為時才發揮作用，而對于已經歸類的感覺刺激做出行為反應可能并不需要PPC的參與。

 

從這個思路出發，團隊精心設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練的方法不同，該團隊首先僅用少數感覺刺激（兩個聲音刺激，低頻和高頻）對小鼠進行行為訓練。當小鼠學會將這兩個聲音與對應的選擇關聯之后，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。行為學實驗結果表明，即使從未聽過這些新的聲音，實驗小鼠也能夠通過之前學會的高頻、低頻分類規則對新聲音刺激做出恰當的判斷。這時團隊利用光遺傳等神經操控技術抑制PPC活動，發現實驗小鼠對新刺激的選擇判斷會顯著受損。這些結果直接支持PPC在對新刺激進行抉擇的過程中發揮了重要作用。然而，當新刺激經過幾天訓練之后，再對PPC進行抑制時，實驗小鼠的選擇判斷不再受影響，表明感覺刺激經過學習，已經形成類別與行動之間的關聯后，不再需要PPC參與。這些結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對PPC神經元群體活動進行跟蹤記錄，發現大部分PPC神經元穩定表征訓練刺激與抉擇相關信息，表明PPC神經元編碼已經建立的分類抉擇。而部分神經元則對新刺激和訓練刺激有顯著區分，但在對新刺激學習一段時間后則不再區分新刺激與訓練刺激，表明PPC在對新刺激進行歸類學習中有一個動態編碼的過程，對于歸類學習可能起關鍵作用。

 

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