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基于价值的决策需要维持并比较多个选项以指导行为。虽然支持这些决策的神经环路正被越来越多地理解,但决策如何重塑选项表征仍不清楚。研究人员在非人灵长类动物(non-human primates, NHPs)持有先后呈现的两组选项-价值对并选择高价值选项时记录了外侧
基于价值的决策需要维持并比较多个选项以指导行为。虽然支持这些决策的神经环路正被越来越多地理解,但决策如何重塑选项表征仍不清楚。研究人员在非人灵长类动物(non-human primates, NHPs)持有先后呈现的两组选项-价值对并选择高价值选项时记录了外侧前额叶皮层(lateral prefrontal cortex, LPFC)活动。研究人员发现,一旦可做决定,被选择与未被选择选项的表征会旋转进入正交神经子空间(orthogonal neural subspaces),同时被选择表征扩张。决策前,表征按呈现顺序组织;决策后,被选择选项无论呈现顺序如何都被转化为与规定动作对齐的共同子空间。这些发现表明,基于价值的决策会重组LPFC群体活动,以选择性表征被选择选项,从而实现面向动作选择的高效下游读出(downstream readout)。
研究背景方面,做经济选择时需比较商品价值并选高价值者,过程包括表征可用选项、赋值、比较与选择。已有研究多关注价值如何编码与比较,但多个选项如何在工作记忆(working memory)中同时表征、这些表征又如何被基于价值的决策转化与重组仍知之甚少。外侧前额叶皮层(lateral prefrontal cortex, LPFC)接收眶额皮层(orbitofrontal cortex, OFC)输入并投射至运动系统,是联结选项、价值与动作的候选脑区。因此,研究人员开展本研究以揭示决策过程中选项表征几何的动态变化。
该研究由 J.R. 与 E.K.M. 设计实验,J.R. 采集数据,S.L.B. 整理数据,H.L.、N.C. 与 S.L.B. 设计并分析数据,论文投发表于《iScience》。研究人员让两只恒河猴(Macaca mulatta,NHP T 与 NHP I)完成价值选择任务,记录 LPFC 单神经元尖峰活动,得出决策前选项按呈现顺序存于近正交子空间、决策后被选择选项转入共同对齐子空间且与被放弃选项正交的结论,说明 LPFC 群体几何重组支持价值决策与动作选择。
关键技术方法上,研究人员使用两只成年恒河猴(NHP T:316 个神经元,23 个会话;NHP I:422 个神经元,17 个会话)作为样本队列。采用先后呈现空间靶点与颜色奖赏线索的任务范式,在决策前与决策后延迟期取群体尖峰率;用线性判别分析(linear discriminant analysis, LDA)解码奖赏值与靶点位置;用带 Lasso 正则化的线性回归估计各靶点位置的群体编码向量以解决设计中靶点不可同现导致的秩亏;用伪同步群体(pseudopopulation)重采样与 bootstrap 估计误差和显著性;用子空间对齐(subspace alignment)与主轴角(principal angles)量化表征几何;用方差分解区分类间与类内方差。
结果与结论如下。
行为与分析:研究人员分析两只 NHP 在两组空间靶点 T1、T2 与奖赏线索 R1、R2 后的选择,发现动物主要选高价值靶点;分析聚焦需等 R2 才能决定的试次与 LPFC 尖峰活动。
LPFC 编码奖赏与靶点位置信息:用 LDA 解码发现奖赏信息在线索后出现并维持;决策后可被选择靶点位置解码精度上升,类间方差增大而非类内方差减小,说明精度提升来自表征分离增强。
决策使被选择与未被选择靶点转入正交子空间:用回归系数构成群体编码向量并计算子空间对齐,发现决策前同序靶点子空间平行对齐,决策后近正交;价值信号先于正交化出现,且由大范围重叠神经元而非独立亚群实现。
决策使被选择靶点子空间对齐:比较不同呈现顺序但同选择结果的靶点,发现决策前 T1 与 T2 近正交,决策后两个被选择靶点转入平行对齐子空间,未被选择靶点无此强效应;跨解码证明单个解码器可读出被选择位置。
对齐靶点子空间在抉择后仍可分离:训练 LDA 解码选择信息,发现选择轴与被对齐位置子空间正交,说明决策后并非纯运动准备码,而是同时保留选择信息与位置信息。
早期子空间重组反映早期决策:在 R1 为极值可提前决断的试次中,NHP T 出现更早的被选择信息增强与子空间重组,NHP I 仅在最高值条件有较弱趋势,表明部分价值信息可在全决策前_bias 靶点表征。
讨论部分总结:研究人员指出,LPFC 在决策前用正交化隔离选项,决策后把被选择选项旋进共同格式以利下游读出,未被选择信息则留于正交子空间减少干扰;该几何重组主要体现于重叠群体模式而非独立细胞群,并与 PFC 混合选择性(mixed selectivity)一致。LPFC 兼具选项维持、价值比较驱动重组与动作映射功能,部分价值信息也可在双值揭晓前起作用。
结论部分翻译:研究人员发现,在基于价值的决策中,LPFC 编码奖赏与选项(即靶点位置)信息,选项表征几何随决策推进动态变化。两可能选项在工作记忆中按呈现顺序存于分离近正交子空间;可决策后,规定动作的神经子空间旋转,使被选择动作无论呈现顺序均对齐,该共同子空间与未被选择动作子空间近正交,降低无关信息干扰;高价值选项表征分离增强,利于运动区更准确读出被选择动作。正交化便于独立保持信息,子空间对齐使单一线性解码器跨顺序读出被选择位置;选择信息存于正交轴,支持决策史与信用分配(credit assignment)且不干扰运动输出。该结果体现从“按呈现顺序正交”到“按选择状态正交”的重组,说明动态表征几何在working memory与决策中的作用。