Neuron:Inscopix揭示前扣帶皮層預測行為結(jié)果狀態(tài)

一項由葡萄牙尚帕莫未知中心，牛津大學，哥倫比亞大學，荷蘭鹿特丹伊拉斯謨大學，麻省理工學院，倫敦大學，德國Max Planck生物控制論研究所，德國圖歐賓根大學多方合作的研究于2020年11月4日在Neuron上發(fā)表了題為The Anterior Cingulate Cortex Predicts Future States to Mediate Model-Based Action Selection的文章，作者通過一個新的兩步謎題任務了解基于模型的決策使用對行為具體后果的預測，在小鼠的一系列決策任務中使用Inscopix顯微鈣成像和光遺傳學來證明前扣帶皮層（ACC）預測了行動將導致的狀態(tài)，而不單是預測它們是好是壞，并判斷結(jié)果是否與這些預測相符。研究結(jié)果表明，ACC是基于模型的控制的關(guān)鍵節(jié)點，在預測所選操作的未來狀態(tài)方面發(fā)揮著特定作用。

Credit:Thomas Akam / Rui Costa / Champalimaud Centre for the Unknown

我們的大腦可以通過思考未來和預測我們行為的后果來幫助我們做出決定。例如，想象一下，你試圖找到你家附近的一家新餐廳的路。你的大腦可以為你的鄰居建立一個心理模型，并計劃你應該走的路線。

科學家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，大腦的前扣帶回皮質(zhì)(ACC)對決策非常重要，它參與了使用這樣的心理模型進行學習。發(fā)表在《神經(jīng)元》(Neuron)雜志上的一項關(guān)于小鼠的新研究強調(diào)了幫助大腦模擬不同行為的結(jié)果并做出選擇的復雜的心理機制。

牛津大學研究員、這篇新論文的主要作者托馬斯·阿卡姆博士說：“基于模型學習的神經(jīng)生物學仍然知之甚少。在這里，我們能夠識別出參與這一行為的大腦結(jié)構(gòu)，并證明它的活動編碼了決策過程的多個方面。”

破譯大腦是如何建立心理模型的，對于理解我們?nèi)绾芜m應變化和靈活做出決定至關(guān)重要：例如，當我們發(fā)現(xiàn)通往新餐廳的一條道路因施工而關(guān)閉時，我們會怎么做。

“這些結(jié)果非常令人興奮，”作者魯伊·科斯塔(Rui Costa)說。魯伊·科斯塔是哥倫比亞大學扎克曼研究所(Zuckerman Institute)的主任兼首席執(zhí)行官，博士是DVM，他在尚帕里莫未知中心(Champalimaud Centre For The Under)擔任研究員時開始了這項研究，大部分數(shù)據(jù)都是在那里收集的。

“這些數(shù)據(jù)表明，在基于模型的決策中，前扣帶回皮質(zhì)是一個關(guān)鍵的大腦區(qū)域，更具體地說，是在預測如果我們選擇做一個特定動作而不是另一個動作時，世界上會發(fā)生什么。”

模型或非模型？

研究基于模型學習的神經(jīng)基礎(chǔ)的一大挑戰(zhàn)是，它通常與另一種稱為無模型學習的方法并行運行。在無模型學習中，大腦不會花太多精力去創(chuàng)建模擬。它只是依賴于過去曾產(chǎn)生良好結(jié)果的行動。

例如，當你去你喜歡的餐廳旅行時，你可能會使用一種沒有模型的心理方法。因為你以前去過那里，所以你不需要投入心力去規(guī)劃路線。你可以簡單地沿著你習慣性的道路走下去，讓你的注意力集中在其他事情上。

為了分離這兩種認知模式--基于模型和無模型--的貢獻，研究人員為小鼠設置了一個兩步謎題。
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在這項任務中，一只動物首先從兩個位于中心的洞中選擇一個來進行探鼻。這個動作會激發(fā)側(cè)面的另外兩個洞中的一個，每個洞都有一定的提供水的可能性。

圖1 兩步謎題

阿卡姆博士說：“就像在現(xiàn)實生活中一樣，為了獲得預期的結(jié)果，受試者必須進行一系列延長的行動，并帶來不確定的后果。”

為了做好這項工作，小鼠必須找出兩個關(guān)鍵變量。一個是，側(cè)面的哪個孔更有可能提供飲水。第二個是中心的哪個孔激發(fā)了哪個側(cè)孔。一旦小鼠學會了這項任務，它們就會選擇提供結(jié)果的動作序列。然而，除了這種基于模型的解謎方式外，小鼠還可以學習簡單的無模型預測，例如“頂端是好的”，這是過去通常會帶來獎勵的選擇。

研究人員隨后改變了實驗方式，要求動物保持靈活性。時不時地會出現(xiàn)提供水的側(cè)孔會切換--或者中間孔和側(cè)孔之間的映射會顛倒。

隨著情況的變化，這些動物的選擇揭示了它們學習時使用的策略。

阿卡姆博士說：“無模型學習和基于模型學習應該產(chǎn)生不同的選擇模式。通過觀察小鼠的行為，我們能夠評估這兩種方法的貢獻。”

當研究小組分析了大約23萬個個體決策的結(jié)果時，他們了解到小鼠同時使用了基于模型的方法和無模型的方法。

科斯塔博士說：“這證實了這項任務適合研究這些機制的神經(jīng)基礎(chǔ)。然后我們進入下一步：調(diào)查這種行為的神經(jīng)基礎(chǔ)。”

一種基于模型學習的神經(jīng)圖譜

研究小組專注于大腦的前扣帶回皮質(zhì)(ACC)區(qū)域。

科斯塔博士解釋說：“先前的研究證實ACC參與了行動選擇，并提供了一些證據(jù)表明它可能參與基于模型的預測。但在一項旨在區(qū)分這些不同類型學習的任務中，還沒有人檢查單個ACC神經(jīng)元的活動。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，ACC神經(jīng)元的活動與小鼠的行為之間存在緊密聯(lián)系。例如，科學家只需觀察一組細胞的活動模式，就可以破譯小鼠是在選擇一個孔還是另一個孔，或者它是否在喝水。

除了表示動物在任務中的當前位置，ACC神經(jīng)元還編碼了下一步可能出現(xiàn)的狀態(tài)。

阿卡姆博士說：“這提供了直接證據(jù)，表明ACC參與了對行為具體后果的基于模型的預測，而不單預測它們是好是壞。”

圖2 小鼠完成兩步謎題時的ACC鈣成像

此外，ACC神經(jīng)元還表明了行動的結(jié)果是意料之中的，還是出乎意料的，從而潛在地提供了一種機制，當預測被證明是錯誤的時，它可以更新預測。

研究小組還在動物試圖做出決定時抑制ACC神經(jīng)元。這阻止了這些動物在情況變化時做出靈活的反應，這表明它們在使用基于模型的預測時遇到了困難。

圖3 兩步謎題中對ACC進行光遺傳抑制

理解大腦是如何控制計劃和順序決策等復雜行為，是當代神經(jīng)科學面臨的一大挑戰(zhàn)。

阿卡姆博士說：“這是首批在小鼠進行操作決策的研究，證明小鼠在這些方面具有決策行為是可能的。這些結(jié)果將讓我們和其他人建立對靈活決策的機械性理解。”

參考文獻

“The anterior cingulate cortex predicts future states to mediate model-based  action selection,” was published on November 4, 2020, in Neuron. Additional coauthors include Ines Rodrigues-Vaz, Ivo Marcelo, Xiangyu Zhang, Michael Pereira, Rodrigo Freire Oliveira and Peter Dayan.

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