眶額皮層神經(jīng)元實時反映大腦正在關(guān)注的物體的價值

抉擇在生活中隨處可見，比如在水果店挑選橙子。我們挑選橙子的過程往往是一個一個拿起來，看一看，聞一聞，決定放回去或者裝進袋子里，然后再挑下一個。在挑選的過程中，具有顏色鮮亮、香氣馥郁、大小適中等特征的橙子會通過我們的感覺系統(tǒng)來吸引我們的注意力，讓我們進一步對它們進行挑選，以決定它們的“去留”。

有趣的是雖然不同的感覺信息能夠同時被大腦并行處理，可我們的決擇過程往往只能依次進行，是一個串行的過程。而注意在抉擇等認知過程中從并行到串行的轉(zhuǎn)化過程中所起到的作用，目前還知之甚少。

中科院神經(jīng)科學研究所、腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心楊天明研究組通過對大腦眶額葉中對價值信息的編碼的研究，對這一問題進行了研究。3月13日，在《eLife》期刊在線發(fā)表了題為《注意力能夠調(diào)節(jié)眶額皮層神經(jīng)元對外界物體的價值編碼》的研究論文。

該研究使用清醒獼猴在體電生理記錄，發(fā)現(xiàn)獼猴眶額皮層神經(jīng)元實時反映大腦正在關(guān)注的物體的價值。這一研究解釋了注意力和價值編碼在抉擇過程中的相互關(guān)系。

眶額皮層是大腦的高級認知中樞前額葉的一個子區(qū)，因其位置處于眼眶上方而得名。前人的研究表明，眶額皮層是大腦獎賞環(huán)路中的關(guān)鍵一環(huán)。它接受并整合視覺、味覺、嗅覺等多重感覺信息的輸入，能夠編碼物體的價值，在抉擇過程的價值評估中起到關(guān)鍵作用。

而這項新的研究則進一步針對眶額葉在抉擇認知過程中究竟更多地采用串行還是并行的方式、注意力是如何調(diào)控這一腦區(qū)的價值信息編碼等問題進行了探索。

注意力、獎勵和抉擇這些因素在正常情況下高度相關(guān)。為了把這些因素對神經(jīng)元的編碼的影響進行區(qū)分，研究人員設計了一個精巧的實驗。在這個實驗中，獼猴只需要在顯示器上觀看一些代表不同大小的果汁獎勵的圖片。如果屏幕上只有一張圖片，獼猴只要保持眼睛注視屏幕中央，不用做任何選擇即可得到相應的獎勵。如果屏幕上同時出現(xiàn)兩副圖片，則由計算機隨機挑選其中的一幅作為最終的獎勵，獼猴依舊不需要做任何選擇。同時，在一些測試中，兩幅圖片中的一幅還會通過迅速轉(zhuǎn)動來吸引獼猴的注意力，然而這種轉(zhuǎn)動并不會改變獎勵的大小，也和計算機隨機挑選的獎勵圖片無關(guān)，對獼猴來說并沒有任何意義。獼猴只是因為圖片突然發(fā)生旋轉(zhuǎn)而會不由自主地把注意力轉(zhuǎn)向這張圖片。通過這樣的實驗設計，注意力、獎勵和抉擇這些因素就被分開了。

在獼猴觀看兩張圖片的時候，雖然最終獲得的獎勵可能是其中的任意一幅，但是研究人員通過測量獼猴的瞳孔反應，發(fā)現(xiàn)獼猴的注意力總是集中在獎勵比較大的圖片上。同時，眶額葉神經(jīng)元也與注意力保持高度一致，僅編碼了獎勵較大的圖片的價值，而忽略了另一張圖片。但是，如果在展現(xiàn)圖片的過程中，研究人員通過轉(zhuǎn)動其中的一張圖片來吸引獼猴的注意力，眶額葉的神經(jīng)元則會跟隨注意力來編碼被轉(zhuǎn)動的圖片的價值，即使這張圖片所代表的獎勵較小。研究人員發(fā)現(xiàn)幾乎每個編碼價值的眶額葉神經(jīng)元都呈現(xiàn)出這種性質(zhì)而鮮有例外。通過一個計算模型，研究人員進一步說明了注意力的受到圖片轉(zhuǎn)動的影響而切換的可能性與兩張圖片的價值相關(guān)。如果獼猴原先注意力所在的圖片代表很大的獎勵，注意力切換到其他圖片的可能性會比較小。這就像我們在閱讀一本非常有趣的書的時候就不容易受到打擾一樣。如果我們讀的書乏味無趣，那么外界一點小動靜就會吸引我們的注意力。

這項研究的結(jié)果表明，與大腦視覺皮層并行編碼多個物體的視覺性質(zhì)的情況不同，眶額葉神經(jīng)元僅編碼注意力所在的物體的價值。因此，大腦對價值信息的處理，在眶額葉皮層已經(jīng)轉(zhuǎn)化為一個串行的過程。由于神經(jīng)科學家們普遍認為眶額葉編碼的價值信息被前額葉更高級的腦區(qū)運用來進行價值判斷和抉擇，這項研究很可能意味著大腦的價值抉擇過程是一個串行過程。而眶額葉也有別于較低級的感覺皮層，位于大腦信息處理的較高層次，其神經(jīng)元的活動反映了我們的抉擇和認知的過程。

圖注：（A）獼猴在同時觀看兩張圖片的時候，獼猴的注意力集中在關(guān)聯(lián)較大獎勵的圖片，而眶額皮層神經(jīng)元電活動也僅僅編碼價值較大圖形的價值。（B）在通過轉(zhuǎn)動圖片來吸引獼猴的注意力的時候，眶額葉神經(jīng)元的電活動被注意力所引導，編碼了被轉(zhuǎn)動的圖片的價值。（C）計算模型很好解釋了注意力的切換與圖片價值之間的相互關(guān)系。圖中虛線為當圖形轉(zhuǎn)動時由于注意力轉(zhuǎn)換而引起的神經(jīng)元發(fā)放的變化。其中綠色虛線為計算模型的預測，紅色虛線為實際數(shù)據(jù)。詳見Xie, Nie, and Yang, 2018.

該研究在楊天明研究員的指導下，由博士生謝洋和聶車暢完成。該課題獲得了中科院百人計劃、上海市科委科研計劃項目（15JC1400104）的支持。