7月8日，《神經(jīng)元》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《小鼠聽(tīng)皮層神經(jīng)元群體結構動(dòng)態(tài)變化實(shí)現感覺(jué)到范疇的轉化》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心/神經(jīng)科學(xué)研究所、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室徐寧龍研究組完成，博士研究生辛宇為該論文第一作者。
該研究通過(guò)在頭部固定小鼠中建立一套聽(tīng)覺(jué)相關(guān)的抉擇行為任務(wù)，同時(shí)使用雙光子成像技術(shù)記錄清醒小鼠的聽(tīng)覺(jué)皮層第2/3層群體神經(jīng)元的反應，解析了對感覺(jué)信息進(jìn)行范疇化（categorization）的皮層神經(jīng)元群體運算機制。負責該項目的研究人員對皮層大量神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行記錄和統計分析，發(fā)現在聽(tīng)覺(jué)皮層中存在范疇抉擇相關(guān)的單細胞反應，并且，聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)元的信息編碼會(huì )根據任務(wù)需要發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。這種神經(jīng)編碼的動(dòng)態(tài)變化在群體水平有利于把連續的感覺(jué)信息轉化為任務(wù)相關(guān)的范疇信息。研究人員通過(guò)對群體神經(jīng)元活動(dòng)的解碼，也驗證了任務(wù)態(tài)下聽(tīng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)能夠準確預測小鼠執行聽(tīng)覺(jué)范疇分類(lèi)任務(wù)的表現。
為什么需要對感覺(jué)信息進(jìn)行分類(lèi)或范疇化？這是由于人們大腦接收到的來(lái)自客觀(guān)世界的感覺(jué)信息紛繁復雜，而人們能夠形成的概念和采取的行動(dòng)則數目有限，為了形成有意義的認知來(lái)指導行為，大腦需要對這些信息進(jìn)行高效的組織管理，而其中最基本的過(guò)程就是范疇化（categorization），簡(jiǎn)單來(lái)講，就是對外來(lái)刺激進(jìn)行分類(lèi)與定位，從而可以從外部信息中高效地抽提出最相關(guān)的信息，形成感知判斷。例如，當接收到豐富多樣的語(yǔ)音信息，大腦會(huì )把這些語(yǔ)音歸類(lèi)到屬于不同的熟悉的人，或屬于陌生人。當你接到一個(gè)電話(huà)時(shí)，即使因為環(huán)境干擾和電話(huà)通話(huà)噪聲等因素而導致語(yǔ)音物理參數發(fā)生變化或扭曲，你仍然可以輕而易舉識別出電話(huà)里的語(yǔ)音是否屬于某一個(gè)熟人，或屬于陌生人。這個(gè)過(guò)程就涉及到對聲音信息的類(lèi)別判斷。另一個(gè)例子是關(guān)于人們對于色彩的認知。當看到彩虹時(shí)，盡管其中可見(jiàn)光的波長(cháng)實(shí)際上是連續變化的，然而人們對于波長(cháng)的物理數值難以形成感性認知或顏色概念，因此需要將連續的波長(cháng)信息范疇化，將其定義為離散的七種顏色類(lèi)別（紅橙黃綠青藍紫），便于信息存儲與交流。這說(shuō)明感覺(jué)信息范疇化可以幫助大腦高效存儲信息和形成認知。因此，認知心理學(xué)研究認為，范疇化是人們對外界形成感知并且做出行動(dòng)的一個(gè)普遍而基本的過(guò)程。
大腦如何將復雜而又連續的刺激信息范疇化呢？這里面的神經(jīng)生物學(xué)機制是什么？對于這些問(wèn)題的解答將使人們對腦認知功能的生物學(xué)基礎和神經(jīng)計算原理有更深入的理解。事實(shí)上，神經(jīng)科學(xué)家早已意識到這個(gè)問(wèn)題的重要性。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的著(zhù)名神經(jīng)科學(xué)家Earl Miller的實(shí)驗室早在2001年就在Science發(fā)表論文，提出獼猴前額葉可以產(chǎn)生視覺(jué)信息分類(lèi)相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。該論文的第一作者David Freedman后來(lái)(2006年)又在Nature發(fā)表論文，提出在后頂葉皮層也有編碼視覺(jué)分類(lèi)的神經(jīng)活動(dòng)。這些研究開(kāi)啟了信息分類(lèi)和感知覺(jué)范疇化神經(jīng)機制研究的新領(lǐng)域。但是這些研究中所發(fā)現的與感知類(lèi)別相對應的神經(jīng)活動(dòng)，更多地代表神經(jīng)運算的結果，而感覺(jué)信息怎樣被轉化為離散的類(lèi)別信息的神經(jīng)運算過(guò)程卻并不清楚。
為了探索這個(gè)問(wèn)題，腦智卓越中心的研究人員在小鼠中建立了一個(gè)基于聽(tīng)覺(jué)的分類(lèi)抉擇行為范式，經(jīng)過(guò)訓練，小鼠可以將不同頻率的純音歸類(lèi)到“高音”或“低音”范疇。同時(shí)研究人員結合活體雙光子成像技術(shù)，在動(dòng)物執行任務(wù)的同時(shí)對聽(tīng)覺(jué)皮層群體神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行大規模記錄，并結合進(jìn)一步的定量分析，從而研究了大腦皮層的神經(jīng)元如何通過(guò)動(dòng)態(tài)編碼將感覺(jué)信息轉化為類(lèi)別信息的機制。研究的具體過(guò)程是，清醒小鼠在頭部固定的情況下被放置在隔音箱內，經(jīng)過(guò)訓練它們可以將連續的單一頻率聲音(6種或者8種)按照設定的類(lèi)別邊界劃分成兩種類(lèi)別：低頻組或者是高頻組，一般小鼠在經(jīng)過(guò)一周的訓練后可以達到80%以上的正確率（圖A和圖B）。隨后，開(kāi)始雙光子成像的實(shí)驗（圖C）。對于這些小鼠，研究人員事先在聽(tīng)皮層神經(jīng)元中利用微量病毒注射的方法表達鈣指示劑GCaMP6s蛋白，并埋置長(cháng)期成像窗口，從而實(shí)現對于群體神經(jīng)元活動(dòng)的長(cháng)期穩定記錄。
他們的研究發(fā)現，在單細胞水平，除了編碼聲音頻率信息的神經(jīng)元活動(dòng)之外，在小鼠執行聲音分類(lèi)任務(wù)中，出現了兩種與分類(lèi)相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。其中一類(lèi)的神經(jīng)元表現出對聲音類(lèi)別的特異性反應，類(lèi)似于前人在前額葉和后頂葉等下游腦區發(fā)現的類(lèi)別相關(guān)的神經(jīng)元。例如圖D中的神經(jīng)元只對于低頻類(lèi)別聲音有反應，而對于高頻類(lèi)別幾乎沒(méi)有反應。另外一類(lèi)神經(jīng)元則表現出對于類(lèi)別邊界頻率聲音的選擇性反應（圖E），而這種聲音選擇性反應在被動(dòng)聽(tīng)聲音的情況下并不存在，因此是一種任務(wù)依賴(lài)的動(dòng)態(tài)調整。在群體神經(jīng)元水平上，他們發(fā)現，相對于靜息狀態(tài)的被動(dòng)刺激，任務(wù)態(tài)下聽(tīng)皮層對于相同聲音的編碼在群體構成上出現了動(dòng)態(tài)調整（圖F）。進(jìn)一步通過(guò)對群體神經(jīng)元活動(dòng)的解碼，發(fā)現這種動(dòng)態(tài)調整使得聽(tīng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)能夠準確可靠地預測動(dòng)物的行為任務(wù)（圖G - H）。因此，該項工作揭示聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)元群體可以根據分類(lèi)任務(wù)的需要，動(dòng)態(tài)調整信息編碼特性，形成利于提高分類(lèi)邊界分辨能力的群體編碼結構，從而提出了感知分類(lèi)的一個(gè)新的神經(jīng)運算機制。這一成果對于感覺(jué)皮層在認知過(guò)程中的信息處理機制提出了新的理解和預期，并且可能有助于啟發(fā)人工智能算法設計的新思路。
該項工作在研究員徐寧龍的指導下，主要由辛宇完成，同時(shí)課題組的博士研究生鐘林、張園，高級工程師潘璟瑋，助理研究員周濤濤也做出了重要貢獻。該工作得到國家基金委、國家重點(diǎn)實(shí)驗室基金、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項、中科院重點(diǎn)前沿項目、青年千人計劃等的資助。
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