2020年2月8日訊/
生物谷BIOON/---生存通常取決於動物在一瞬間做出決策的能力，這些決策依賴於對許多種未來的選擇方案的設想：如果一隻動物被飢餓的捕食者追趕，它是否會向左拐安全回家還是向右拐引領著捕食者遠離它的家人？當兩條路徑在黃色的樹林中分開時，哪條路會讓它安全去吃食物，哪條路讓它成為捕食者的盤中餐？這兩條路看起來幾乎是相同的，但是設想讓一切都不同。
在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員通過研究在簡單迷宮中行走的大鼠，發現了大腦如何可能產生這些設想的未來情境。這不僅為理解大腦如何做出決定提供新的基礎，而且還會為這種設想如何更廣泛地發揮作用提供了新的基礎。相關研究結果於2020年1月30日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Constant Sub-second Cycling between Representations of Possible Futures in the Hippocampus」。
圖片來自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.01.014。
論文通訊作者、加州大學舊金山分校整合神經科學中心生理學教授Loren Frank博士說，「大腦最令人驚嘆的能力之一就是設想不在它眼前的東西。設想是決策的基礎，但是到目前為止，神經科學還沒有很好解釋大腦如何實時產生設想的未來來為各種日常決策提供信息，同時又關注現實。」
在這項新的研究中，Frank及其團隊讓大鼠探索了一個M型迷宮，同時記錄了海馬體中稱為位置細胞（place cell）的神經元的放電。人們傳統上認為位置細胞可追蹤動物的位置，就像大腦GPS（全球定位系統）一樣。但是，當這些大鼠接近迷宮中的分叉處時，他們發現了它們的位置細胞活性開始以每秒八次的速率非常快地在代表動物的當前位置和它的兩條可選擇的未來途徑之間來回切換，就好像在說，「我向左走，還是向右走？」
Frank團隊還將這一發現擴展到了另一種類型的設想情境中。除了位置以外，還已知位置細胞可以跟蹤動物的行進方向。他們發現，指示相反行進方向的位置細胞也可以非常快速地來回切換，好像在說：「我要走這條路，但我也可以轉身走另一條路。」
論文第一作者、Frank實驗室研究生Kenneth Kay博士說，「這些位置細胞在當前路徑與未來的可能路徑之間的快速切換是準確無誤的，這是因為它們是如此有規律。鑑於無論是對動物還是對人類，速度加上一致性正是在任何現實環境中所需要的，這是令人興奮的。」
Kay及其同事們發現，位置細胞在當前路徑和可能的未來路徑之間的振蕩似乎並不能直接控制大鼠對選擇哪種路徑的決策，但是隨著大鼠接近決策點而變得更加強。這提示著海馬體在決策中的作用可能是為大腦其他部分產生一個設想情景的「菜單」，這會將作出的選擇與過去經驗的價值或潛在危險關聯起來，然後根據動物的當前狀態---飢餓、口渴、害怕或大膽---做出適當的決定。
Frank說，「我們認為這表明海馬體不僅負責記錄過去和處理現在，而且還負責設想未來。這項研究只是第一步，但是它為我們研究動物做出決策時如何在大腦中產生和評估設想的情境開闢了新的途徑。」
新研究提示著海馬體是設想未來情境的源泉海馬體是大腦兩側顳葉深處的海馬狀結構，是大腦中研究最深入的部分之一。
海馬體損傷---無論是由於大腦損傷還是在阿爾茨海默病等疾病中---讓人們喪失了形成新記憶的能力，從而導致20世紀的科學家們將海馬體描述為大腦的記憶中心。在1970年代，科學家們發現了海馬體位置細胞，當動物探索新環境時，這些位置細胞會自發創建新環境的地圖，然後將這些地圖存儲起來以備後用。這項發現促使科學家們認識到海馬體也是一個導航中心，比如，負責讓動物找到回到它記得去年夏天吃了那些美味黑莓的地方。
沿著這些思路，Frank等人的先前研究已表明位置細胞活性可以重現動物的近期運動，甚至可以預測動物下一步可能去的地方，但是這種活性只是間歇性地觀察到，並被認為動物在
在積極考慮下一步行動，通常是當動物在運動過程中休息或暫停時（Nature, 2016, doi:10.1126/nature17144）。這項新的研究首次展示了海馬體細胞如何隨著時間的推移連貫性地系統性地代表不同的設想情景。這些研究人員說，這樣的系統可能允許行動中的動物根據這些設想的不同情境立即做出極其迅速的決策，同時還可以追蹤動物的當前狀況。它甚至可能在大腦更廣泛地產生假設情景或思想的能力中發揮作用。
Kay說，「這種在當前和可能的未來（或者說實際與設想）之間的有規律切換看起來就像是一個產生大量想法的強大系統，而不僅僅是機械地記憶或預測。海馬體可能是我們想像能力的根源。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Kenneth Kay et al. Constant Sub-second Cycling between Representations of Possible Futures in the Hippocampus. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.01.014.