大脑如何预判走位

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Jordana Cepelewicz，译者：Eureka，题图：Unsplash

决策，决策。无论有没有意识到，我们每时每刻都处在决策当中。从出门穿什么衣服，吃什么东西和如何度过周末，到用哪只手拿笔，要不要调整一下重心，让自己坐得更舒服……哪怕对于最微不足道的决策，我们的大脑都会在一系列“如果”中仔细挑选，掂量每一种可能的未来。即使做出的是貌似无意识的选择，例如从飞驰而来的车辆前躲开，大脑也在基于过去的经历做出预测，来指导行为。

在2020年1月发表于《细胞》的一篇文章中，加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员在大鼠进行决策的一瞬间窥探它们的大脑，观察神经元迅速比对面前的可选项。他们描述的机制可能不仅仅适用于具体的决策行为，在动物发挥创造力，设想更为抽象的可能性时，这些机制也许也参与其中。

在加州大学旧金山分校的神经科学家劳伦·弗兰克（Loren Frank）带领下，他的课题组研究了海马脑区——那个形状像海马的，与空间定位、存储和提取记忆相关的脑区——中的神经元活动。他们对那些叫做位置细胞（Place Cell）的神经元格外关注，因为当动物在空间中移动的时候，这些被称为“大脑的GPS”的细胞能够在脑中描绘动物的位置。

已经有研究证明，当动物在环境中移动时，位置细胞会快速依次放电。这种电活动不仅反映了动物的实际位置，也与动物的前后位置移动相对应：按照空间顺序，表征动物身后到表征动物身前的位置细胞依次放电，仿佛在扫描一条空间轨迹。（有研究证明这些向前的移动也包含着目标或奖赏位置相关的信息。）与这种神经活动的模式被称为θ周期（Theta Cycles，又称θ振荡、θ脑电波等），在大鼠大脑中以每秒钟重复大概八次的频率，为它们表征着不断更新的路径信息。

弗兰克和他的团队发现，当某个动物将要采取行动时，与θ周期相关的神经活动会交替呈现不同的潜在道路——不仅仅是为了对未来做出预测，而且以一种高速的、循环往复的模式，从未来丰富的行为可能中抽取样本进行检验。

脑电波中的备选情境

研究人员训练大鼠在W形迷宫中选取不同的路线，并同时记录它们位置细胞的电活动。这些大鼠从迷宫中央的通道中跑过，接着向左或向右转弯。但是，当它们将要决定向哪个方向转弯时，研究人员注意到了大鼠位置细胞活动的奇怪之处——

这些大鼠处于迷宫中心的通道，一些位置细胞在它们将要（和正在）左转时放电，而其他位置细胞在它们将要（且正在）右转时放电。按照逻辑，因为这些细胞的共同活动反映着动物当前的位置，两种细胞应当在大鼠接近转向点时同时放电。但事实却不是这样。

实际上，这两种细胞交替放电。就好像在动物决定采取某一条道路之前，它们的海马区交替处理着 “向左”还是“向右”的抉择信息，并一直保持着两者的独立性。

“大脑努力地把它们分开，”弗兰克说，“问题是大脑为什么要这么做。”

当大鼠将要决定向哪个方向转弯时，它脑内的两种位置细胞并非同时放电，而是交替放电。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

明尼苏达大学的神经科学家大卫·雷迪什（David Redish）和已故的亚当·强森（Adam Johnson）曾经有过类似的发现——动物在迷宫中寻找方向时，位置细胞来回扫描着潜在的可能，但这些活动变化似乎与更需要深思熟虑的行为相关。这两位研究人员并没有进一步研究，神经元对于“左右抉择”的表征是随机出现的，还是有序出现的。

与此不同的是，弗兰克的课题组所发现的“左右抉择”现象精确地与θ周期的每一个周期重合。海马在θ周期的一个周期中表征左转的信号，而在下一周期中转换为右转的信号。虽然实验中这两种信号并不总是完美地相互转换，偶尔某一种信号会持续出现几个周期。但是信号的整体结构是无可辩驳的。每个持续125毫秒的周期似乎都将大脑对于未来的不同假设，分割为持续而稳定的整体构架。

“最让人惊叹的是其中的规律性。这真的很神奇。”纽约大学医学院的神经科学家杰尔吉·布扎萨基（György Buzsáki）评论称，“每个周期与表征的决策是一对一的：一个周期表征左转，另一个周期表征右转，左右不断交替。”他认为，这种高度结构化排列的优点可能在于，每个预测都以相同的可能性被有序地检验。

弗兰克和同事们进一步研究θ周期的神经活动发现，每个周期的开始与大鼠目前的位置相关，接着表征左转还是右转的选择。整体的结构看起来是这样的：目前的位置，左转的可能性，目前的位置，右转的可能性，以此类推。

一切可能都在备选范围之内

实验数据还出现了其他有趣的模式。研究人员发现，θ周期不仅仅在大鼠左转或右转的抉择间来回转换，而且有时个别循环可能包含了大鼠改变路径的可能。这个发现令人疑惑，因为在那些时刻大鼠其实并不需要考虑这个选择。

哥伦比亚大学的博士后研究员，《细胞》论文的第一作者肯尼思·凯（Kenneth Kay）认为，这一事实与“海马的功能仅限于仅预测动物将遭遇到什么”的观点背道而驰。他说，“这表明θ周期的组成可能是将海马可以编码的各种事物联系起来的普遍方式。”

对于这个问题，弗兰克认为，“这看起来像是非常明显地表示了思考的过程——如果我转向这边会发生什么呢？这值得我转过来吗？”

- Tishk Barzanji -

因此，θ周期编码假设时可能具有更为一般的目的。麦吉尔大学的神经科学家马克·布兰登（Mark Brandon）认为，每个循环的周期“都包含特定的内容”。编码于θ振荡125毫秒周期中的，可能是简单的“左右抉择”，也可能是广义上的一段记忆，或发生过的特定事件。

雷迪什未参与新研究，但认同这一观点：“这不仅仅是空间的表征，还代表某种事件结构，实质上关乎考虑你现有的选择。”

研究人员说，也许θ周期是海马用来查看抽象选择的基本计算单元。在大多数情况下，θ周期的内容很可能基于过往经验，使动物对变化的环境作出快速而灵活的反应，比如逃避捕食者。但是论文的第一作者肯尼思·凯说，“我们的工作同时也表明，这个周期可能并不会为片刻后的反应提供明确的指导。它的作用可能会发挥在创造力中，在更为广泛的生成或想象的过程中。”

- Leonardo Santamaria -

这种可能性重新定义了海马的功能：它不仅是一个记忆脑区，通过记忆来帮助决策，也是一种学习脑区——它可以想象未来并从其中采样，也可以模拟选项，让其他脑区的评估与行动。而θ周期似乎是阐明海马工作原理的明确切入点。

θ周期也可能对理解其他认知过程或神经系统疾病至关重要。通常，研究神经过程会将每一实验试次中的神经元活动平均化。而弗兰克和他的合作者们则证明了解析更小的时间尺度中的信息的重要性。

研究人员正在探索引起观察到的交替模式的机制，以及这种活动在决策过程中如何影响大脑的其他部分。他们也在进行着包含两个以上可能选择的迷宫实验。尽管啮齿动物的大脑节律与人类不同，但研究人员希望他们的发现对其他物种也同样适用。

凯说：“想想就很有意思，我们只是刚刚在理解认知与想象的精细时间尺度上，迈出了小小的第一步。”

原文：

https://www.quantamagazine.org/in-brain-waves-scientists-see-neurons-juggle-possible-futures-20200224/

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Jordana Cepelewicz，译者：Eureka