關于前額葉不同子區在抉擇中不同功能的研究成果

發布時間:2020-11-28

  20201117日,《美國科學院院報》在線發表了題為《前額葉皮層在價值抉擇計算中的證據累積》的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、中科院靈長類神經生物學重點實驗室楊天明研究組完成。該研究訓練獼猴完成一項基于不確定信息證據積累的價值抉擇任務,并在獼猴進行抉擇的過程中對前額葉中兩個重要的子區進行了單細胞電生理記錄。研究發現在價值抉擇的過程中,眶額葉皮層僅編碼單個證據在視覺特征層面所攜帶的價值信息,而背外側前額葉區域不僅編碼了證據在運動層面的累積,還編碼了單個證據從視覺特征到運動相關的信息轉換。該研究有助理解前額葉皮層不同子區在基于價值的抉擇任務中的所發揮的作用。   

  判斷不同選項所對應的價值是抉擇中非常關鍵的一步。近年來,前額葉皮層特別是眶額葉皮層被認為在基于價值的抉擇任務中發揮著非常重要的作用。然而,之前領域內對價值計算所涉及的前額葉各子區所承擔的功能并不明確,尤其是價值在大腦中進行計算的過程中是否存在一個與最終運動輸出無關的價值計算環節存在爭議。  

  楊天明研究組訓練獼猴完成一個精巧的抉擇任務。獼猴需要觀看四張依次出現的圖片,通過移動眼睛的注視點,在一個紅點和一個綠點之間做出選擇。這四張圖片所攜帶的信息告知獼猴紅點和綠點可以獲得獎勵的概率,即它們的價值。紅色或綠色目標點在每一次試驗中會隨機出現在屏幕的左側或右側,而圖片僅攜帶和顏色相關的價值信息(圖A)。由于大腦中計算眼動的環路采用空間坐標,因此圖片所給出的關于紅點和綠點的價值信息需要轉化為向左還是向右眼動的價值信息。這兩種價值信息一個在顏色特征的層面,一個在運動的層面,而前額葉皮層在抉擇中信息累積的過程中,究竟是在哪個層面進行計算以及兩種價值信息如何轉化,成為該研究的關鍵(圖B)。  

  論文作者運用單細胞電生理記錄手段,分別對兩只獼猴的眶額葉和背外側前額葉神經元的活性進行記錄。為了解析神經元的電活動對不同價值變量的編碼性質,作者對群體神經元的活動應用了基于線性回歸和套索回歸的詳盡分析。作者發現眶額葉神經元僅編碼單個證據所攜帶的顏色相關的價值信息而不進行累積。而背外側前額葉皮層神經元不僅編碼了證據在動作層面的累積(圖C),其編碼的形式還顯示,它們參與了單個證據所攜帶的信息,從顏色特征相關到動作相關的轉換的過程。整個價值累積和計算的過程在兩個腦區內均不存在一個獨立于運動信息的中間計算環節。  

  該研究成果推翻了領域內目前較為流行的研究觀點。眶額葉皮層并未進行價值信息的整合與累積。相反,證據累積是在動作層面通過背外側前額葉皮層的神經元來完成的。兩個腦區神經元對價值編碼的差異提示,眶額葉和背外側前額葉是如何合作來計算抉擇中的價值信息的。這使得人們重新思考前額葉的各個分區在基于價值計算的抉擇過程中的功能。 

  該研究由博士研究生林中喬、聶車暢、張原逢以及工作人員陳陽,在楊天明研究員的指導下完成,研究組的其他成員也在課題的各個階段給予了幫助。該工作得到中科院、上海市委、國家自然科學基金委的資助。 

  圖注(A)獼猴行為學范式(B)兩種假設。其一在視覺特征空間完成,其二在運動空間完成,價值信息由視覺特征空間向運動空間的轉換可以發生在單個證據階段,或者在證據累積完成后的階段(C)前額葉對價值信息在運動空間累積的編碼 

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