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关于大脑如何产生认知的关键谜团终于被理解

人们通常用看不见的个体来解释人类行为,例如动机,好奇心,焦虑和信心。尚不清楚这些精神实体是否由大脑特定区域的特定神经元编码。

冷泉港实验室的亚当·凯佩奇教授在《自然》杂志上发表的新研究中回答了其中一些问题。这些发现可能会导致开发更有效的强迫症,强迫性和其他精神疾病治疗方法。

该团队研究了眶额皮质,该区域对于人类和动物的决策至关重要。对这个大脑区域的损害会损害决策能力。在一个著名的例子中,一名铁路工人菲尼亚斯·盖奇(Phineas Gage)在爆炸中用铁棍刺穿了他的头骨,使该地区幸免于难。盖奇幸存下来,但他的个性和决策能力却没有。

Kepecs和他的实验室着手阐明眶额叶皮层中的神经元如何编码心理变量,例如动机或自信心。

凯佩奇斯说:“我们想了解神经元如何为这些神秘实体编码,其背后的逻辑是什么,眶额皮质的结构是什么。” 通过监测做出复杂决定的大鼠大脑中的神经元活动,研究小组确定了眶额皮质功能组织中新颖的,未曾怀疑的结构。

研究人员试图确定这种神经活动所代表的信息。标准方法是确定神经元关心的世界上哪些特征(哪些增加了他们的活动)以及它们对哪些特征不敏感(活动没有变化)。例如,在视觉皮层中,神经元被调整到对象的边缘,并且每个神经元都偏向于不同方向的边缘。凯佩奇说:“当您处理心理变量时,问题就变成:“我该如何定义它们?”。我如何真正知道这是信心还是价值?

关键的见解是使用选择行为的数学模型来计算“决策置信度”。这种方法得出了非常具体的预测,即根据观察到的变量(如决策的难度或做出的选择),置信度的表示形式是什么样的。事实证明,许多眶额神经元与这些预测一致,其活动随着正式定义的决策信心而增加或减少。

先前对眶额叶皮层的研究已经确定了相似的心理变量,但是与其他大脑区域(如视觉皮层)不同,它们的反应没有顺序,并且编码的复杂性令人困惑。Kepecs说:“人们发现的是一团糟。” Kepec的职业生涯是了解决策的神经基础。

为了弄清这种混乱,凯佩奇和他的团队采取了与其他人不同的方法。

现为日本京都同志社大学副教授的博士后研究员广川淳弥(Junya Hirokawa)记录了大量眶额皮质神经元,并使用复杂的机器学习技术来了解其活动模式。研究小组发现神经元分为不同的功能组。而且,每组神经元都为不同的心理变量编码,例如决策信心或奖励价值,从而揭示了迄今为止从未被怀疑的高度结构化的组织。

最后,凯佩奇想知道这些功能基团是否由专门的解剖结构支持。为此,该团队使用工程病毒针对特定的神经元组,这些神经元将连接发送到纹状体,纹状体是大脑的一部分,对于更新或重新思考选择的价值至关重要。他们监测了这些神经元的活动,发现它们编码了另一个心理变量,即奖励值,在预期奖励较低时增加了活动。

Kepecs说:“对我们而言,它说,“看,功能逻辑中可能包含解剖逻辑。”

解构神经元在不同任务中如何运作以及它们在大脑中的物理结构之间的这种逻辑关系也可能为诸如精神疾病的治疗开辟可能性,例如更准确地刺激患有严重抑郁症,帕金森氏症和其他疾病的患者的大脑疾病类型。

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