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《神經元》發表腦智卓越中心關于靈活分類決策神經環路機制的研究成果

發布時間:2021-05-06

  2021年5月5日,《Neuron》期刊在線發表了題為《基于任務結構信息的靈活感知抉擇神經環路機制》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室的徐寧龍研究組完成。該研究首次在神經環路水平揭示了基于任務結構知識實現感知類別靈活決策的大腦運算機制?! ?/p>

  研究人員利用全新的神經環路光學記錄和光學操控技術,結合新穎的動物行為學范式,發現來自眶額葉的反饋信息支持聽皮層對于聽覺分類標準的編碼,這種神經環路運算符合基于任務狀態推斷的強化學習計算模型,可實現基于任務規則的靈活信息分類。研究人員通過對這條反饋環路的精準干預,獲得了因果性證據,支持該環路運算機制的確在動物靈活分類行為中起關鍵作用。該研究成果對于探索基于知識的靈活認知行為的神經環路運算原理起到關鍵的推動作用?! ?/p>

 

  在變化的環境中,生物體可以根據不同的感覺信息做出特定的行為反應。在哺乳動物中,得益于大腦新皮層的演化,這種功能得到了高度發展,動物不僅可以做出簡單的刺激-反應,而且可以通過內隱學習,抽提出多變環境中的共同結構,形成內在模型,或知識。這種關于環境結構的知識可以有效的指導動物對于環境狀態變化形成推斷,從而產生高度適應性的智能行為。研究這種靈活抉擇智能行為的神經機制是揭開大腦認知之謎的關鍵。

  雖然神經科學界對于包括眶額葉在內的前額葉腦區在動物行為中的神經活動作了大量研究,然而一個未被解答的關鍵問題是,不同腦區之間如何通過復雜的環路連結協同工作從而實現基于推斷的靈活決策?

  為了對這一問題進行研究,徐寧龍研究組在頭部固定的小鼠上建立了靈活感知抉擇的行為范式,以便在實驗條件下,對靈活決策的過程進行可控的記錄和分析,并在這一行為范式中,研究其背后的神經環路運算機制。這一行為范式建立在實驗室之前發展的聽覺分類任務的基礎上,每個回合中,小鼠會接收到一個特定頻率的聲音刺激,并根據頻率的高低對刺激進行分類,將分類的結果通過舔左或舔右的行為作出報告,從而得到一定量的水作為獎勵。為了在任務中引入行為靈活性的成分,研究人員在任務中加入了兩個不同的類別分界線來確定分類規則。分界線在不同的回合中會發生變化,實現任務規則的切換。小鼠為了獲取獎賞,需要根據行為結果推斷當前的分類規則,并依據分類規則對同一聲音刺激做出不同的分類。通過這樣的行為范式的設計,研究人員巧妙的利用簡單的聲音頻率和獎勵規則變化,引導小鼠執行基于任務規則的靈活抉擇行為。

  經過訓練,小鼠不僅可以按照任務要求對聲音刺激進行靈活選擇,而且逐漸建立起了利用對于類別分界線的估計推斷任務規則變化的策略。這一行為策略下,當類別分界線發生變化時,小鼠不僅可以快速地改變自己的選擇,還可以利用行為結果中的不完整反饋信息對尚未經歷過的聲音刺激的類別作出推測。

  這一任務模擬了動物利用對于任務結構信息的了解,根據不完整信息推斷環境變化,從而對同樣的感覺刺激做出靈活的適應性選擇的智能行為。

  由于基于推測的任務狀態估計是隱含的認知變量,為了研究對這種認知變量的神經編碼和環路計算,研究人員建立了一個包含任務結構和狀態推測的強化學習模型,這一模型不僅可以對小鼠的行為表現進行準確模擬,還可以對隱含認知變量進行估算。

  在此基礎上,研究人員利用雙光子在體鈣成像技術,在小鼠執行以上行為任務時,對聽皮層神經元進行單細胞分辨率的群體記錄。記錄結果表明,聽皮層神經元不僅表征了聲音刺激本身,有部分神經元還直接編碼了對于類別分界線的推測這一隱含認知變量。這個發現揭示了大腦中的神經元如何對主觀的認知過程進行實時的編碼。

  為了進一步研究跨腦區神經環路如何實現根據行為結果計算類別分界線變化,研究人員根據以往解剖學和功能學研究結果推測,自上而下的眶額葉-聽皮層反饋環路可能在靈活聽覺分類任務中調控了聽皮層對隱含分類邊界的編碼。為了探究這一可能性,研究人員采用了全光學記錄與操控技術,在對聽皮層神經元進行雙光子鈣成像的同時,通過光遺傳技術對同側眶額葉-聽皮層投射進行抑制。發現聽皮層對于類別分界線的編碼的確依賴于這一跨腦區投射的環路。

  為了進一步獲得因果性證據來驗證眶額葉-聽皮層環路是否真正參與聽覺靈活分類行為,研究人員利用化學遺傳學對雙側眶額葉-聽皮層投射進行抑制,發現這時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,這一結果也與眶額葉通過反饋信息更新聽皮層對類別分界線編碼這一環路計算功能相一致。

  最后,為了進一步驗證眶額葉-聽皮層反饋環路是否的確執行了基于任務結構推斷類別邊界線的計算功能,研究人員利用雙光子在體鈣成像對從眶額葉投向聽皮層的神經元軸突活動進行記錄,發現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,該研究系統而完整的揭示了一個明確定義的神經環路如何編碼和計算基于結構知識的任務狀態推測,從而介導靈活決策的智能行為。該成果對于從神經環路機制水平理解智能行為和認知功能起到了重要推動作用。

 

  (A)任務設計。小鼠被訓練為通過舔左或舔右的行為,報告其對于聲音頻率的分類,以獲得一定量的水作為獎勵。任務采用的聲音刺激為七個按音程均勻分布在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)一次實驗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于聲音刺激頻率高低的分界線。誤差代表95%的置信區間。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元活動的同時抑制眶額葉-聽皮層投射活動。(E)聽皮層中神經元對于段落類型的編碼依賴于眶額葉-聽皮層投射活動。(F)對于段落類型具有選擇性的聽皮層神經元活動表征了小鼠對于類別分界線的估計,該信息表征依賴于眶額葉-聽皮層投射活動。(G)對眶額葉-聽皮層軸突進行雙光子在體鈣成像記錄。(H)眶額葉-聽皮層軸突表現出對于小鼠抉擇和獎賞的選擇性。(I)眶額葉-聽皮層軸突活動向聽皮層提供了反饋信息。

  該工作由中科院腦智卓越中心感知的神經基礎研究組的博士研究生劉彥和等人在徐寧龍研究員的指導下完成,實驗室成員辛宇、崔樂樂、潘璟瑋等做出了重要貢獻。研究過程中得到腦智卓越中心楊天明研究員的大力支持。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和上海市科委的資助。 

 

 

   

 

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