在一項新的研究中，通過培訓(xùn)小鼠在一種虛擬現(xiàn)實迷宮中執(zhí)行一項聲音識別任務(wù)，來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院和意大利理工學(xué)院（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員鑒定出不同的大腦皮層區(qū)域中的神經(jīng)元群體在作出決策期間如何發(fā)揮功能上存在著顯著差別。這一發(fā)現(xiàn)闡明了參與工作記憶（working memory）和決策的潛在神經(jīng)機制。相關(guān)研究結(jié)果于2017年7月19日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Distinct timescales of population coding across cortex”。論文通信作者為哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)助理教授Christopher Harvey和意大利理工學(xué)院神經(jīng)計算實驗室研究員Stefano Panzeri。

圖片來自Nature, doi:10.1038/nature23020  

為了研究不同的大腦區(qū)域中的神經(jīng)元群體如何協(xié)同發(fā)揮作用，Harvey和他的同事們（包括哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)博士后研究員Caroline Runyan、意大利理工學(xué)院研究員Eugenio Piasini和Stefano Panzeri）訓(xùn)練小鼠在一種虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成簡單的任務(wù)。

當(dāng)在氣墊上漂浮的球體上奔跑時，這些小鼠經(jīng)過投射在它們前面的屏幕上的T形迷宮。這些研究人員給它們提供聲音，而且它們必須通過在T型交叉口向哪個方向轉(zhuǎn)向來報告這種聲音是來自它們的左邊或右邊。

團結(jié)力量大

當(dāng)這些小鼠完成這項任務(wù)時，這些研究人員記錄神經(jīng)元群體的活動，一次大約記錄來自聽覺皮層（auditory cortex）和后頂葉皮層（posterior parietal cortex）的50個神經(jīng)元的活動。聽覺皮層加工聲音刺激信號。后頂葉皮層接受來自聽覺皮層和其他的感覺區(qū)域的信息，與更多的復(fù)雜認(rèn)知功能相關(guān)聯(lián)。

這些研究人員開發(fā)新的計算技術(shù)，從而允許他們同時分析每個神經(jīng)元對它的相鄰神經(jīng)元活動的影響。他們發(fā)現(xiàn)在聽覺皮層內(nèi)的神經(jīng)元群體中，各個神經(jīng)元往往彼此獨立地發(fā)揮作用，即每個神經(jīng)元對其他神經(jīng)元沒有什么影響。相反，在后頂葉皮層內(nèi)的神經(jīng)元群體中，各個神經(jīng)元極大地影響著彼此，似乎協(xié)同地發(fā)揮作用。

單個神經(jīng)元的活動是短暫的，但是在一起發(fā)揮作用的神經(jīng)元群體在不同的時間點有活性而能夠在更長的時間里攜帶信息。在后頂葉皮層中，這種較強的協(xié)作性允許神經(jīng)元群體攜帶關(guān)于聲音識別的信息長達(dá)1秒。聽覺皮層中的神經(jīng)元群體攜帶信息僅幾百微秒。

Harvey說，“聽覺皮層中的神經(jīng)元短暫激活非常適合代表快速波動的聲音。但是，我們認(rèn)為后頂葉皮層中的神經(jīng)云在更長的我們能夠觀察到的時間尺度上協(xié)同發(fā)揮作用，這是因為它們需要整合一段時間內(nèi)的信息來作出盡可能最好的選擇。”

為了支持這一假設(shè)，這些研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)小鼠在試驗中經(jīng)過這種迷宮時，它們的后頂葉皮層中的神經(jīng)元似乎作為一個團隊更好地發(fā)揮作用，它們更可能作出正確的選擇，這表明這些神經(jīng)元的活動更強地偶聯(lián)在一起。在具有更弱偶聯(lián)性的試驗中，小鼠似乎更可能作出錯誤的選擇。

盡管幾十年來，人們已研究單個神經(jīng)元的活動，但是近期技術(shù)上取得的進(jìn)展已允許神經(jīng)科學(xué)家們同時研究較大的神經(jīng)元群體。Harvey說，這項研究的結(jié)果對破解神經(jīng)元群體如何彼此相互作用和揭示不同時間尺度的神經(jīng)元活動等突發(fā)性質(zhì)是比較重要的。

Harvey說，“我們的希望是如果我們能夠理解導(dǎo)致聽覺皮層和后頂葉皮層之間差異產(chǎn)生的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和突觸機制，那么這就可能揭示產(chǎn)生短期記憶（或者說工作記憶）的機制。我認(rèn)為我們開始開發(fā)研究神經(jīng)元群體的工具和方法越多，我們將更多地理解大腦。”

原標(biāo)題：Nature：揭示不同皮層中的神經(jīng)元群體在作出決策時顯著不同地發(fā)揮功能