2021年5月5日，《Neuron》期刊在線發(fā)表了題為《基于任務(wù)結(jié)構(gòu)信息的靈活感知抉擇神經(jīng)環(huán)路機制》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)zhuo越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室的徐寧龍研究組完成。該研究shou次在神經(jīng)環(huán)路水平揭示了基于任務(wù)結(jié)構(gòu)知識實現(xiàn)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(jīng)環(huán)路光學(xué)記錄和光學(xué)操控技術(shù)，結(jié)合新穎的動物行為學(xué)范式，發(fā)現(xiàn)來自眶額葉的反饋信息支持聽皮層對于聽覺分類標(biāo)準(zhǔn)的編碼，這種神經(jīng)環(huán)路運算符合基于任務(wù)狀態(tài)推斷的強化學(xué)習(xí)計算模型，可實現(xiàn)基于任務(wù)規(guī)則的靈活信息分類。研究人員通過對這條反饋環(huán)路的精準(zhǔn)干預(yù)，獲得了因果性證據(jù)，支持該環(huán)路運算機制的確在動物靈活分類行為中起關(guān)鍵作用。該研究成果對于探索基于知識的靈活認(rèn)知行為的神經(jīng)環(huán)路運算原理起到關(guān)鍵的推動作用。　　 

　　在變化的環(huán)境中，生物體可以根據(jù)不同的感覺信息做出特定的行為反應(yīng)。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(fā)展，動物不僅可以做出簡單的刺激-反應(yīng)，而且可以通過內(nèi)隱學(xué)習(xí)，抽提出多變環(huán)境中的共同結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)在模型，或知識。這種關(guān)于環(huán)境結(jié)構(gòu)的知識可以有效的指導(dǎo)動物對于環(huán)境狀態(tài)變化形成推斷，從而產(chǎn)生高度適應(yīng)性的智能行為。研究這種靈活抉擇智能行為的神經(jīng)機制是揭開大腦認(rèn)知之謎的關(guān)鍵。

　　雖然神經(jīng)科學(xué)界對于包括眶額葉在內(nèi)的前額葉腦區(qū)在動物行為中的神經(jīng)活動作了大量研究，然而一個未被解答的關(guān)鍵問題是，不同腦區(qū)之間如何通過復(fù)雜的環(huán)路連結(jié)協(xié)同工作從而實現(xiàn)基于推斷的靈活決策？

　　為了對這一問題進(jìn)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(jìn)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(jīng)環(huán)路運算機制。這一行為范式建立在實驗室之前發(fā)展的聽覺分類任務(wù)的基礎(chǔ)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(jù)頻率的高低對刺激進(jìn)行分類，將分類的結(jié)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(wù)中引入行為靈活性的成分，研究人員在任務(wù)中加入了兩個不同的類別分界線來確定分類規(guī)則。分界線在不同的回合中會發(fā)生變化，實現(xiàn)任務(wù)規(guī)則的切換。小鼠為了獲取獎賞，需要根據(jù)行為結(jié)果推斷當(dāng)前的分類規(guī)則，并依據(jù)分類規(guī)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(shè)計，研究人員巧妙的利用簡單的聲音頻率和獎勵規(guī)則變化，引導(dǎo)小鼠執(zhí)行基于任務(wù)規(guī)則的靈活抉擇行為。

　　經(jīng)過訓(xùn)練，小鼠不僅可以按照任務(wù)要求對聲音刺激進(jìn)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(wù)規(guī)則變化的策略。這一行為策略下，當(dāng)類別分界線發(fā)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(jié)果中的不完整反饋信息對尚未經(jīng)歷過的聲音刺激的類別作出推測。

　　這一任務(wù)模擬了動物利用對于任務(wù)結(jié)構(gòu)信息的了解，根據(jù)不完整信息推斷環(huán)境變化，從而對同樣的感覺刺激做出靈活的適應(yīng)性選擇的智能行為。

　　由于基于推測的任務(wù)狀態(tài)估計是隱含的認(rèn)知變量，為了研究對這種認(rèn)知變量的神經(jīng)編碼和環(huán)路計算，研究人員建立了一個包含任務(wù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)推測的強化學(xué)習(xí)模型，這一模型不僅可以對小鼠的行為表現(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，還可以對隱含認(rèn)知變量進(jìn)行估算。

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

　　為了進(jìn)一步研究跨腦區(qū)神經(jīng)環(huán)路如何實現(xiàn)根據(jù)行為結(jié)果計算類別分界線變化，研究人員根據(jù)以往解剖學(xué)和功能學(xué)研究結(jié)果推測，自上而下的眶額葉-聽皮層反饋環(huán)路可能在靈活聽覺分類任務(wù)中調(diào)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(xué)記錄與操控技術(shù)，在對聽皮層神經(jīng)元進(jìn)行雙光子鈣成像的同時，通過光遺傳技術(shù)對同側(cè)眶額葉-聽皮層投射進(jìn)行抑制。發(fā)現(xiàn)聽皮層對于類別分界線的編碼的確依賴于這一跨腦區(qū)投射的環(huán)路。

　　為了進(jìn)一步獲得因果性證據(jù)來驗證眶額葉-聽皮層環(huán)路是否真正參與聽覺靈活分類行為，研究人員利用化學(xué)遺傳學(xué)對雙側(cè)眶額葉-聽皮層投射進(jìn)行抑制，發(fā)現(xiàn)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(jié)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(huán)路計算功能相一致。

　　最后，為了進(jìn)一步驗證眶額葉-聽皮層反饋環(huán)路是否的確執(zhí)行了基于任務(wù)結(jié)構(gòu)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(jīng)元軸突活動進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)而完整的揭示了一個明確定義的神經(jīng)環(huán)路如何編碼和計算基于結(jié)構(gòu)知識的任務(wù)狀態(tài)推測，從而介導(dǎo)靈活決策的智能行為。該成果對于從神經(jīng)環(huán)路機制水平理解智能行為和認(rèn)知功能起到了重要推動作用。

　　（A）任務(wù)設(shè)計。小鼠被訓(xùn)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(wù)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(qū)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jìn)行雙光子在體鈣成像記錄。（H）眶額葉-聽皮層軸突表現(xiàn)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zhuo越中心感知的神經(jīng)基礎(chǔ)研究組的博士研究生劉彥和等人在徐寧龍研究員的指導(dǎo)下完成，實驗室成員辛宇、崔樂樂、潘璟瑋等做出了重要貢獻(xiàn)。研究過程中得到腦智zhuo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(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院和上海市科委的資助