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神经活动模式可以编码关于哪个地标将通向正确目的地的相互竞争的假设。
当我们在一个我们还不太熟悉的地方导航时，我们常常依靠独特的地标来帮助我们前进。然而，如果我们在砖砌建筑中寻找办公室，并且沿途有许多砖砌建筑，我们可能会使用一条规则，比如在街上寻找第二栋建筑，而不是依赖于区分建筑本身。
在这种模糊性得到解决之前，我们必须记住，我们与目的地的关系有多种可能性（或假设）。在一项对小鼠的研究中，麻省理工学院的神经科学家现在发现，这些假设在大脑中以不同的神经活动模式明确表示。
这是首次在大脑中看到编码同时假设的神经活动模式。研究人员发现，在大脑的脾后皮质（RSC）中观察到的这些表征不仅编码了假设，而且可以被动物用来选择正确的路线。
大脑和认知科学副教授Mark Harnett说：“据我们所知，没有人在复杂的推理任务中表明，联想皮层中有一个区域在脑海中持有两个假设，然后在获得更多信息后使用其中一个假设来实际完成任务。”
Jakob Voigts博士是《Nature Neuroscience》论文的主要作者。
模糊的地标
RSC接收来自视觉皮层、海马结构和前丘脑的输入，并将其集成以帮助导航。
在一个2020年论文Harnett的实验室发现，RSC使用视觉和空间信息对用于导航的地标进行编码。在那项研究中，研究人员表明，小鼠RSC中的神经元将周围环境的视觉信息与小鼠沿着轨迹的自身位置的空间反馈结合在一起，使它们能够根据所看到的地标来学习在哪里寻找奖励。
在他们的新研究中，研究人员希望进一步研究RSC如何使用空间信息和情境背景来指导导航决策。为了做到这一点，研究人员设计了一种比小鼠研究中通常使用的更为复杂的导航任务。他们建造了一个大型圆形竞技场，沿侧墙有16个小开口或端口。当小鼠把鼻子伸进去时，其中一个开口会给它们一个奖励。在第一组实验中，研究人员训练小鼠去不同的奖励端口，这些端口由地板上的光点指示，只有当小鼠靠近它们时才能看到。
一旦小鼠学会了执行这个相对简单的任务，研究人员就添加了第二个点。这两个点之间的距离以及与竞技场中心的距离总是相同的。但现在，小鼠必须按逆时针方向的圆点到达港口才能得到奖赏。因为这些圆点是相同的，只有在很近的距离才能看到，所以小鼠永远无法同时看到两个圆点，也无法立即确定哪个是哪个。
因此，为了完成这项任务，小鼠必须记住他们期望一个圆点出现的位置，综合他们自己的身体位置、前进方向以及他们确定哪个地标是哪个的路径。通过测量小鼠接近模糊地标时RSC的活动，研究人员可以确定RSC是否编码了关于空间位置的假设。该任务经过精心设计，要求小鼠使用视觉地标来获得奖励，而不是其他策略，如气味提示或航位推算。
Voigts在Harnett实验室做博士后时参与了这项研究，他说：“在这种情况下，行为的重要之处在于，小鼠需要记住一些东西，然后用它来解释未来的输入。”
研究人员发现，当小鼠积累关于哪个点可能是哪个的信息时，RSC神经元的群体对于不完整信息显示出不同的活动模式。这些模式中的每一个似乎都对应于一个假设，即小鼠认为它与奖励有关。
当小鼠靠近到足以找出哪个点表示奖励端口时，这些模式就会坍塌成代表正确假设的模式。研究人员说，这些发现表明，这些模式不仅被动地存储假设，还可以用来计算如何到达正确的位置。
Voigts说：“我们表明，RSC拥有使用这种短期记忆来区分模糊地标所需的信息。我们还表明，这种假设的编码和处理方式允许RSC使用它来解决计算问题。”
互联神经元
在分析最初的结果时，Harnett和沃格茨咨询了麻省理工学院教授伊拉·菲特，后者大约10年前使用人工神经网络进行了一项研究，以执行类似的导航任务。
此前发表在bioRxiv上的这项研究表明，神经网络显示出的活动模式在概念上与Harnett实验室进行的动物研究中看到的模式相似。人工神经网络的神经元最终形成高度互联的低维网络，就像RSC的神经元一样。
Harnett说：“这种相互联系似乎是这些动力如何产生以及如何控制的关键，但我们仍然不明白。这是皇家科学委员会如何同时牢记这两个假设的一个关键特征。”
在Janelia的实验室里，Voigts现在计划研究其他参与导航的大脑区域，如前额叶皮层，是如何在没有接受特定任务训练的情况下，以更自然的方式探索和觅食的。
Voigts说：“我们正在研究学习任务是否有一般原则。我们在神经科学中有很多关于动物学习任务后大脑如何运作的知识，但相比之下，我们对小鼠如何学习任务以及在获得自然行为的自由后选择学习什么知之甚少。”
