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只爱新刺激,不屑参与低级抉择?
??进入论坛 来源:科学网 发布者:菲律宾亚游集团|HOME 发布时间:2019-5-10 阅读:140次??

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  走在路上,我们的大脑每时每刻都在进行着大大小小的抉择:分岔路口向左还是向右?怎么避开迎面而来的汽车?如何根据标识判断男女洗手间?根据以往的研究,这些抉择行为都与大脑后侧、顶部皮层中的神经元活动高度相关。

  可最近的多个研究结果发现,抑制后顶叶皮层的神经元并不影响动物在抉择行为中的表现,这在神经科学领域引发了广泛争议。

  近日,中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究组化解了这个争议,他们发现,在动物面对未知感觉刺激时,后顶叶皮层才会启动抉择,发挥关键作用。而面对已有经验的刺激时,后顶叶皮层便不发挥作用。相关研究成果发表于《自然—神经科学》。

争议:后顶叶皮层脑区是否参与抉择?

  后顶叶皮层是大脑中一个处理多种感觉、运动信息的联合脑区,能够接收来自视觉系统、听觉系统和躯体感觉系统的信息传入。一直以来,它被认为在大脑的分类与抉择、空间导航、运动规划、注意等高级功能中发挥着关键作用。

  如果后顶叶皮层受损,会出现感觉-运动不协调、空间感知障碍、记忆受损等情况。

  此前有研究利用灵长类动物进行实验,经过长期(数月)的训练后,面对视觉、听觉等刺激,猴子能够准确抉择。可当后顶叶皮层被抑制时,面对这些刺激,猴子仍然能够准确抉择。由此得出了后顶叶皮层并非必须参与抉择过程的结论。

  这引起了徐宁龙研究组的兴趣,他们想知道,后顶叶皮层被抑制后,为什么动物还能够做出准确抉择呢?

  该论文的第一作者、神经科学研究所的博士生钟林想起了小时候爸妈教他学习识别男女卫生间标识的经历,在爸妈教过几次之后他便能积累起经验,从而准确区分。

  放到猴子身上来,经过一年的反复的学习强化,被归类到熟悉的认知范畴后,当它再次面临该刺激时,或许仅凭经验就能作出反应,而不再需要后顶叶皮层的参与?

发现:后顶叶皮层是小鼠“举一反三”的关键

  为了解答这个问题,研究人员决定利用小鼠进行实验。他们给口渴的小鼠提供左右两个水嘴,先后给小鼠播放8kHz和32kHz的“滴”声,当播放8kHz的低频声音时,左边水嘴供水,反之右边水嘴供水。为了能快速喝到水,小鼠必须根据声音的频率大小做出抉择。

  小鼠们每天要经历400-500次这样的练习,在10天之后,终于可以近乎完美地分辨声音,找对水嘴。

  “这两个声音经过了反复强化学习,就像老师讲的例题,一般大家都能掌握。可如果面对新的问题,小鼠们还能举一反三吗?我们又利用新的、小鼠没听过的声音进行刺激实验,这是本研究的一个创新点。”钟林说。

  后来,他们将刺激声音分别换成了11.3kHz、13kHz、14.9kHz等低频段和17.1kHz、19.7kHz、22.6kHz等高频段的声音。结果发现,即使小鼠从来没听过这些声音,也很容易分辨出高低频率,快速喝到水。

  “就像我们人类,即使没见过所有卫生间标识,也依然能够准确区分。”钟林说。

  可是,当研究人员利用化学药物和光遗传技术抑制掉后顶叶皮层的活性后,小鼠们便只会做反复学习过的“例题”,即准确区分8kHz和32kHz两种声音,快速喝到水。而听到介于二者频率之间的新声音,它们便不能很好地区分,喝不到水的概率很高。这就表明,后顶叶皮层是小鼠会不会“举一反三”的关键。

验证:后顶叶皮层“只爱新刺激”

  双光子显微镜钙成像是一种荧光成像技术,首先将钙探针蛋白表达到神经元中,蛋白在激光的激发下会呈现荧光变化,以此来观测神经元的活动。

  利用这种技术,研究人员发现,对于8kHz和32kHz这两个已经学会的声音,小鼠后顶叶皮层中的神经元的反应不显着。而对于新的声音,其神经元反应非常活跃。到了第二天,再次应对同种新声音刺激时,其神经元反应又会恢复稳定。这就验证了之前的实验结果,后顶叶皮层只在面对“新刺激”的时候才发挥作用。

  为了使研究更加可靠,徐宁龙研究组给小鼠们设计了新的任务。对于那些已经能够分辨低频和高频声音的小鼠,在第二阶段的训练中,改变原有的高低频设定,将原来高频的声音,作为第二阶段的低频声音,同时引入更高频的声音作为新刺激。

  研究发现,部分神经元对新刺激和训练刺激有显着区分,但经过一段时间的学习后则不再区分新刺激与训练刺激,这表明后顶叶皮层在对新刺激进行归类学习中有一个动态编码的过程。

  “我们的研究不但有助于化解神经科学领域内的争议,更有助于理解动物智能中的一个关键特性,即如何将学会的范畴和概念泛化到新事物中去。对于这一功能神经机制的解析可能对类脑智能研究有所启发,助力开发具有更强大适应性的分类学习算法。”徐宁龙说。

  他表示,“我们将会进一步在神经环路水平探讨后顶叶皮层如何与感觉皮层交流,通过神经可塑性实现分类学习的神经环路机制。”



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