在剛剛出版的《自然》雜誌上新發表的一篇研究論文，題為：「額葉皮層神經元類型對單個決策變量進行分類編碼」（Frontal cortex neuron types categorically encode single decision variables）。《自然》雜誌評價道，這一科技成果終於揭開了大腦是如何產生認知的這一關鍵謎團。
我們許多人都知道，人們往往用看不見的概念來解釋我們人類的行為，比如動機、好奇心、焦慮和信心等。目前尚不清楚這些精神上的東西是什麼樣的機理，是否是由大腦特定區域的特定神經元的編碼。
冷泉港實驗室的亞當·凱佩奇（Adam Kepecs）教授在《自然》雜誌上發表的新研究中揭示了這樣的問題。
冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory，縮寫CSHL），是一個位於美國紐約州長島冷泉港非營利的私人科研與教育中心。此機構的研究對象包括癌症、神經生物學、植物遺傳學、基因組學以及生物資訊學，其主要成就為分子生物學領域，該研究所一共誕生了7位諾貝爾獎得主。除科學研究外，冷泉港實驗室還參與一些教育計劃。如今約有300位研究人員在冷泉港實驗室從事科研工作。
該團隊研究了眶額皮質，該區域對於人類和動物的決策至關重要。對這個大腦區域的損害會損害決策能力。眶額皮質（orbitofrontal cortex，縮寫OFC），又稱為前額葉基底部，是位於大腦額葉前下方的前額葉皮質。
史上一個著名的例子，一名鐵路工人菲尼亞斯·蓋奇（Phineas Gage）在爆炸中鐵棍刺穿了他的頭骨，但該地區倖免於難而倖存下來，使得他的認知與決策能力依然健在。
科學家們闡明眶額葉皮層中的神經元是如何具體編碼例如動機或信心這樣的心理變量的。凱佩奇說：「我們想了解神經元如何為這些神秘實體編碼，其背後的邏輯是什麼，眶額皮質的結構是什麼。」通過監測做出複雜決定的大鼠大腦中的神經元活動，研究小組確定了眶額皮質功能組織中新穎的、過去未曾考慮的結構。
研究人員試圖確定這種神經活動所代表的信息。過去的研究方法是確定神經元關心的世界上哪些特徵（哪些增加了他們的活動）以及它們對哪些特徵不敏感（活動沒有變化）。例如，在視覺皮層中，神經元被調整到對象的邊緣，並且每個神經元都偏向於不同方向的邊緣。凱佩奇說：「當人們處理心理變量時，問題就變成：我該如何定義它們？我如何真正知道這是信心還是價值的東西？」
關鍵的是使用選擇行為的數學模型來計算「決策置信度」。這種方法得出了相當具體的預測，即根據觀察到的變量（例如決策的難度或做出的選擇），置信度的表示是什麼樣的。事實證明，許多眶額神經元與這些預測一致，其活動隨著所定義的決策信心而增加或減少。
以前對眶額葉皮層的研究已經確定了相似的心理變量，但是與其他大腦區域（如視覺皮層）不同，它們的反應沒有順序，編碼的複雜性令人困惑。 凱佩奇說：「過去人們解決策的神經基礎的認知十分模糊。」
為了弄清這種機理，凱佩奇和他的團隊採取了與不同的方法。科學家們記錄了大量的眶額皮質神經元，並使用複雜的人工智慧機器學習技術來了解其活動模式。研究小組發現神經元分為不同的功能組。而且，每組神經元都為不同的心理變量編碼，例如決策信心或獎勵價值，從而揭示了迄今為止從未被認知的高度結構化的組織。
研究人員想知道這些功能基團是否由專門的解剖結構支持。為此，該團隊使用特製病毒將特定的神經元作為目標，這些神經元將連接發送到紋狀體（striatum），紋狀體是端腦皮質下的一部分。這是基底核的主要輸入區，對於更新或重新思考選擇的價值至關重要。他們監測了這些神經元的活動，發現了另一個重要的心理變量編碼，即獎勵值，在預期獎勵較低時增加了活動。
凱佩奇說：「對我們而言，功能邏輯中可能包含解剖邏輯。」解構神經元在不同任務中如何運作以及它們在大腦中的物理結構之間的這種邏輯關係將為諸如精神疾病的治療開闢可能性，例如更準確地刺激患有嚴重抑鬱症、帕金森氏症和其他疾病的患者的大腦疾病類型，這些發現可能會導致開發出更有效的對於強迫症、如強迫性賭博成癮和其它精神性病類的治療方法。
參考資料：Junya Hirokawa et al. 「Frontal cortex neuron types categorically encode single decision variables」, Nature. 04 December 2019