背靠背两篇《Current Biology》解释:大脑决断“鱼与熊掌”的关键!

【字体: 时间:2019年04月23日 来源:生物通

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  中国科学院神经科学研究所、意大利国际高等研究院(SISSA)等机构在《Current Biology》发表了两篇背靠背文章,追踪了从感觉感受器到最终动作的感性决策过程。

  

目前就职于中国科学院神经科学研究所的左艳芳(Yanfang Zuo)此前作为SISSA的博后开始进行这项研究。与SISSA的认知神经科学小组一起,他们发现一旦大脑的处理网络积累了正确数量的感官信息,就会触发感性决策(对识别对象采取适当行动)。

“我们的感官感受器不断地从外部世界收集信息,让我们了解周围的事物,并做出相应行动。识别一个物体的身份似乎几乎是一瞬间的事。然而,有时信息进入感觉系统更为缓慢,凭一时高兴的和即时感知是不可能的。那么,信号是如何随着时间累积的呢?神经系统何时决定‘足够是足够了:该行动了’? 左艳芳和SISSA触觉感知和学习实验室主任Mathew E. Diamond在《Current Biology》杂志上发表的两篇新文章表明,大脑偏好以竞争概念比较传入的感官证据,并在其中一个选择的总获得证据达到固定边界时,立即做出决定。这项研究揭示了在一个不确定的世界里决策的基本大脑机制。

触及视觉感知的边界

迄今为止,人们几乎完全通过让一个受试者(人或猴子)观看一台许多点朝不同方向移动的计算机显示器来研究大脑在渐进的、不确定的感官流入条件下如何做出决定。被试的任务是判断大多数点的总体方向(这类似于在高峰期从阳台上观看车站的大厅,以评估是否有更多的人进入或离开)。如果显示器上100%的点向左移动,则感知立即形成,并且决策快速简单。但是,如果55%的点向左移动,45%的点向右移动,则运动信号必须随时收集。

数十年的神经科学研究表明,支持两种可能选择(左与右)的输入信号是相互竞争的:只要有利于这两种选择中的一种视觉运动信息总量随着时间的推移达到一定的量,观察者就可以报告运动知觉。为解释这些结果而建立的模型“有界积分(bounded integration)”简单、有效,并且在计算上是最优的;甚至存在强大的神经元相关性。但是模型是否能推广到视觉运动感知之外?

从视觉到触觉的决策

“感官感知决策是一种普遍存在的行为要素,每天执行无数次,”这两篇文章的通讯作者Mathew Diamond解释说。“我们想知道解释视觉运动知觉的‘有界积分’模型是否能够解释不同感官形态、不同物种和不同感知形式的知觉判断。”

灵长类动物是视觉专家,而老鼠则是触觉专家,尤其是在用鼻子上的胡须识别物体的纹理时。表面纹理的感知对老鼠的行为至关重要,例如在选择筑巢地点和筑巢材料时。老鼠以10赫兹的频率向前/向后移动它们的胡须,每次移动都会扫过表面。因此,老鼠不接受感官证据(如视觉),而是通过主动控制自己的胡须运动来创造感官证据。

在最新发表的研究中,研究人员在每次实验中都在老鼠面前展示了三种可能的纹理之一。根据它通过胡须感觉到的纹理,老鼠根据纹理身份选择一个正确位置(奖励位置)。同时,研究人员以每秒1000张图像的速度拍摄视频记录,以检查胡须的形状、运动和角度。他们还测量了大脑皮层两个专门处理触觉信息的区域的神经元活动。

什么时候才足够?

在一些试验中,老鼠只摸一次便很快做出了选择;在其他试验中,老鼠最多摸了六次。如果决策是基于有界积分的,那么老鼠一旦产生足够的证据来支持可靠的选择,它就会停止探索,其平均准确度将独立于接触次数。另一种假设认为,大鼠运动系统中的测视图案信号发生器甚至在大鼠接触之前就预先设定了即将进行的试验的接触计数。实验结果证明,结果与有界积分框架一致——准确性与接触次数无关。

老鼠必须辨别出纹理是有凹槽的还是光滑的,第一篇文章确定了触觉证据的本质:胡须运动学(弯曲和运动)根据接触纹理的不同而不同。一旦运动特征转化为神经元放电,大脑就开始处理纹理信息,如图所示。当一次触摸获得的信息显示一种纹理比另一种纹理更强烈时,信号被分级——胡须运动学在某种程度上与沟槽纹理一致,但在某种程度上也与平滑纹理一致。因此,有不同数量的证据支持这两种纹理。主要的发现是,当一个纹理的总证据量(通过接触求和)达到一个边界时,老鼠会做出选择。在这里,有利于沟槽纹理的总证据在第四次触摸时到达边界,而有利于光滑纹理的总证据仍低于阈值。一旦沟槽纹理的证据到达边界,老鼠就会形成一个感知对象的心理图像,并做出正确的选择。如果是平滑纹理的证据首先到达边界,老鼠会根据错误的感知做出错误的选择。这正是试验中20%错误结果的来源。

信息在哪里积累?

第二篇文章证明,体感皮层编码个体接触的胡须运动学,但不会在接触序列中积累信息。相反,体感皮层将大量的证据分配给下游大脑区域,该区域通过时间整合信息(这里描绘的是大鼠头部的神经元簇)。在每一次试验中,一旦触摸证据的总和达到一个界限,老鼠就停止挥舞胡须,做出决定。

触觉认知的边界

“通过有界积分进行决策的框架,以前被认为是属于灵长类动物的,这里延伸到了啮齿动物身上,”Diamond评论。

“我们倾向于认为人类个体是不同的,但所有的老鼠应该是一样的。我们能够计算出每只老鼠的决策边界。那些有更高界限的在每次试验中都浪费了更多的时间收集证据(仿佛一些谨慎的人类),但总体表现更好,因为它们在做出决定之前需要更多的确定性;他们以速度换取准确性。也就是说,老鼠知道它们知道多少,并决定它们何时拥有了足够的知识,这是认知的一个基本要素。目前的工作是探索其他形式的触觉认知。”

原文检索:Rats Generate Vibrissal Sensory Evidence until Boundary Crossing Triggers a Decision

Texture Identification by Bounded Integration of Sensory Cortical Signals

(生物通:伍松)

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