Nature：不同的脑细胞如何共同做出决定

大脑由数十亿个特化细胞组成，它如何权衡证据并做出瞬间决策，长期以来一直是个谜。普林斯顿大学研究人员领导的一项新研究发现，尽管单个神经元之间存在复杂多样的活动，但它们的行为是由一个共同的结构塑造的，该结构有助于大脑做出统一的选择。

　　

每一个决定都是在无形中开始的。

早在一个人采取行动之前，大脑就已经在努力收集证据、权衡各种选择，并逐渐做出选择。但即使面对相同的证据，人们也可能得出不同的结果，尤其是在难以抉择的时候。例如，在交通高峰时段，两个不同的司机看到同一条拥堵的道路，但其中一个可能会加速并线，而另一个则小心翼翼地刹车。

然而，由数十亿个特殊细胞组成的大脑如何做出这些瞬间的决定在很大程度上仍是一个谜。

如今，普林斯顿大学与冷泉港实验室、斯坦福大学和波士顿大学的研究人员合作，取得了新的发现，揭示了不同的脑细胞如何协同工作，引导大脑做出统一的决策。研究人员发现，虽然单个神经元的反应复杂得令人费解，但它们的活动是由一个共同的结构塑造的，最终引导大脑做出统一的选择。

该研究结果于6月25日发表在《自然》杂志上。

神经科学的经典实验表明，大脑能够以可预测的方式映射简单的感官信息，例如基本形状或声音。一个黑色矩形旋转45度角会激活视觉皮层中的一组特定细胞。然而，稍微改变一下角度，另一组细胞就会亮起来。然而，决策，尤其是与行动相关的决策，远比区分略有不同的音调或形状更为复杂，这使得研究人员很难识别引导决策的神经代码。

为了克服这一挑战，研究团队训练恒河猴判断在格子屏幕上哪种颜色（红色或绿色）更占主导地位。简单的试验结果清晰明确，但模糊的试验则需要仔细斟酌。当猴子考虑选择时，研究人员记录了其背部运动前皮层（负责将决策转化为行动的大脑区域）神经细胞的活动。

他们发现，即使在同一次试验中，神经元的反应也大不相同，这表明决策的神经代码具有高度的“异质性”或多变性。

“普遍的假设是，这种异质性反映了认知中涉及的复杂动态，”普林斯顿大学神经科学研究所副教授、该研究的资深作者塔蒂亚娜·恩格尔博士说。“但令人惊讶的是，我们发现这种明显的复杂性源于一种截然不同的神经编码原理。”

为了解释这种多样性，研究小组开发了一个灵活的计算模型，揭示了驱动每个神经元行为的两个关键特征：1）调节：神经元何时以及对何种类型的决策做出反应；2）神经动力学：由引导活动的“潜在景观”表示。

在这个模型中，地形中的山谷代表着已经做出的稳定决策。随着神经活动的展开，它就像一个球在地形上滚动：更陡的坡度会更果断地推动神经活动朝着一个选择的方向发展。

当该模型与真实数据拟合时，结果显示，在简单和困难的试验中，调整效果保持一致，但潜在地形的形状发生了变化。在较简单的任务中，地形较为陡峭，因此决策速度更快、更自信。而在较困难的任务中，地形较为平坦，更容易受到噪音的影响，从而增加了出错的几率。

尽管每个神经元都有不同的个体反应，但它们似乎都具有相同的潜在景观。

“想象一下一群滑雪者下山，每个人都喜欢略有不同的路径，但所有路径都由他们脚下相同的斜坡塑造。同样地，每个神经元都有自己的偏好和活动，但运动前皮层中的细胞群会集体进行协调一致的旅程，并逐渐稳定到一个代表决策的稳定状态。”恩格尔说。

了解神经元如何协作做出决策可以让我们更深入地了解大脑的基本功能，以及大脑在精神分裂症或躁郁症等疾病中如何出现问题，因为这些疾病会导致决策过程发生改变。

有了新模型，恩格尔和她的同事现在计划探索不同类型的神经元及其连接方式如何影响他们观察到的决策的不同调节和不同阶段。

“每个决定都是独一无二的，”恩格尔说。“但通过深入到单次试验和单个神经元的层面，我们就能开始理解它。”

The dynamics and geometry of choice in the premotor cortex