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科學家發現因果推斷的額頂環路機制

文章來源:腦科學與智能技術卓越創新中心  |  發布時間:2022-11-11  |  【打印】 【關閉

  

  20221024日,《eLife》期刊在線發表題為《因果推斷在獼猴額頂環路中的神經動力學》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)、靈長類神經生物學重點實驗室王立平研究組完成。該研究采用清醒獼猴電生理記錄手段和貝葉斯建模等方法,首次揭示了因果推斷在額頂環路中單神經元分辨率下的神經表征和計算機制。 

  因果推斷是大腦在面臨多種信號輸入時推斷信號來源的過程。在生活中,大腦接受到的信號往往是不完全的、充滿噪聲的,因而大腦無法直接獲得背后真正的因果關系。在野外探險時,聽到的樹叢擺動的聲音是來自微風輕拂還是野獸潛伏?顯然,大腦需要推斷聲音的來源,因為這對生存極其重要。在多感覺信號處理過程中,大腦更加需要推斷多種感覺信號背后的因果結構,即它們是否來自同一來源。當推斷信號來自同一來源時就整合它們;否則分離它們??措娪皶r,盡管電影畫面本身發不出聲音,大腦仍然將音響播放的聲音歸因到電影中的畫面。這是因為大腦推斷聲音信號和視覺信號有較大的概率來自同一個來源,因此整合了這兩種信號。而如果音響或播放器出現故障,多感覺信號出現空間或時間上不一致時,大腦將推斷兩種信號有較小的概率來自同一來源,并可能將它們分離。大腦進行因果推斷,一方面會受到感覺信號本身的影響(感覺證據),另一方面會受到之前經歷影響(先驗知識,Pprior)。正所謂“一朝被蛇咬,十年怕井繩”。盡管以往的研究發現這兩方面的信息可以通過貝葉斯規則進行整合以獲得關于因果結構的概率性推斷(因果結構的后驗分布(Pcom),但關于因果推斷的神經機制,尤其是在單神經水平上神經環路機制如何動態更新先驗知識和感覺表征仍然未知。 

  為了解決這些問題,研究人員訓練獼猴在完成一項多感覺整合因果推斷任務(圖1A)的同時,記錄額頂環路中前運動皮層(premotor cortex)和頂葉皮層(parietal area 5 and area 7)的單神經元電活動?;谠搶嶒灧妒?,研究者首先在原先貝葉斯因果推斷模型的基礎上提出了先驗知識(Pprior)和本體感覺(P-arm)的更新的假設(圖1B)。即在進行因果推斷的過程中,大腦會根據過往經驗更新對于環境因果結構的認識,而更新后的先驗知識會用來指導更新感覺表征以更好地適應環境。 

  圖1行為任務和動態因果推斷模型。(A)行為任務概述。猴子被指示將其本體感覺的手臂放在起始位置(藍點)上,以啟動一個試次。在虛擬的視覺手臂旋轉之后,一個虛擬的紅點出現,猴子被要求將其本體感覺手臂放在目標上并保持住以獲得獎勵。(B)動態因果推斷模型示意圖。通過整合先驗知識和感覺證據獲得對因果結構的概率性推斷,即后驗概率。后驗概率一方面會被用來更新先驗概率,另一方面則會被用來更新感覺表征。 

  為了驗證這個假設,研究者首先利用貝葉斯建模和馬爾可夫建模對進行了行為學分析。與假設相符,研究者發現獼猴通過整合先驗信息和感覺輸入推斷隱藏的因果結構,同時動態更新存儲的先驗知識和感覺表征來適應環境變化。接下來,為了研究因果推斷的神經機制,研究者通過信息的編碼(encoding)和解碼(decoding)分析,解析了因果推斷動態計算的神經環路機制。研究發現(圖2),在一個動態變化的環境中,為了推斷多種感覺信號的來源,額頂環路通過貝葉斯的方式整合感覺證據和先驗知識獲得對于信號來源的估計。在適應環境的過程中,額葉和頂葉皮層神經元分別動態更新對于因果結構先驗知識(Pprior)和本體感覺信息(P-arm)的神經表征。該研究為回答多信號綁定問題和身體表征可塑性問題提供了神經環路機制上和計算理論上的理解。 

  圖2因果推斷的額頂環路機制。(A)記錄腦區示意圖。前運動皮層記錄了412個神經元;頂葉皮層記錄了238個神經元。(B)前運動皮層在基線時期更新對于因果結構的先驗知識。(C)額頂環路解碼因果結構的后驗概率(Pcom)。左圖表示都能解碼后驗概率。右圖通過典型相關分析發現前運動皮層和頂葉皮層之間存在關于后驗概率的交流子空間,并且方向為從前運動皮層到頂葉皮層。(D)頂葉皮層更新對于手臂位置的表征。VPVPC(0o)分別表示兩種因果環境。 

  該研究主要由博士研究生齊光耀和博士后方文在王立平研究員的指導下完成,博士研究生李晟豪和研究助理李俊汝也積極參與。該工作獲得了中國科學院、科技部、臨港實驗室和上海市科委資助。 

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