前額葉不同子區在抉擇中不同功能研究獲進展

2020-12-02 中科院之聲

近期，《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研究員楊天明課題組完成。研究人員訓練獼猴完成一項基於不確定信息證據積累的價值抉擇任務，並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，在價值抉擇過程中，眶額葉皮層僅編碼單個證據在視覺特徵層面攜帶的價值信息；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徵到運動相關的信息轉換。該研究有利於理解前額葉皮層不同子區在基於價值的抉擇任務中發揮的作用。

判斷不同選項對應的價值，是抉擇中的關鍵一步。近年來，前額葉皮層，特別是眶額葉皮層被認為在基於價值的抉擇任務中發揮重要作用。然而，之前學界並不明確價值計算涉及的前額葉各子區承擔的功能，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。

研究人員訓練獼猴完成一個精巧的抉擇任務。獼猴需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。這四張圖片攜帶的信息告知獼猴紅點和綠點可獲得獎勵的概率，即其價值。紅色或綠色目標點在每一次試驗中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）。大腦中計算眼動的環路採用空間坐標，因此，圖片給出的關於紅點和綠點的價值信息需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徵層面，一個在運動層面，而前額葉皮層在抉擇中信息累積的過程中，究竟在哪個層面進行計算及兩種價值信息如何轉化，成為該研究的關鍵（圖B）。

研究人員運用單細胞電生理記錄手段，分別對兩隻獼猴的眶額葉和背側前額葉神經元的活性進行了記錄。為解析神經元的電活動對不同價值變量的編碼性質，研究人員對群體神經元的活動應用了基於線性回歸和套索回歸的分析方法。研究發現，眶額葉神經元僅編碼單個證據攜帶的顏色相關的價值信息，而不進行累積；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攜帶的信息，從顏色特徵相關到動作相關的轉換過程。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於運動信息的中間計算環節。

該研究推翻了目前學界較為流行的觀點。眶額葉皮層並未進行價值信息的整合與累積，相反，證據累積在動作層面通過背頂側前額葉皮層的神經元完成。兩個腦區神經元對價值編碼的差異提示了眶額葉和背頂側前額葉如何合作來計算抉擇中的價值信息，這使科研人員重新思考前額葉的各個分區在基於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、張原逢及工作人員陳陽在楊天明的指導下完成，課題組的其他成員在課題的各個階段給予了幫助。研究工作得到中科院、上海市科委、國家自然科學基金委的支持。

圖註：（A）獼猴行為學範式。（B）兩種假設：其一在視覺特徵空間完成，其二在運動空間完成，價值信息由視覺特徵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後的階段。（C）dlPFC對價值信息在運動空間累積的編碼

來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

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