7月8日，《神經(jīng)元》期刊在線發(fā)表了題為《小鼠聽皮層神經(jīng)元群體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)感覺到范疇的轉(zhuǎn)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)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐寧龍研究組完成，博士研究生辛宇為該論文第一作者。

該研究通過在頭部固定小鼠中建立一套聽覺相關(guān)的抉擇行為任務(wù)，同時(shí)使用雙光子成像技術(shù)記錄清醒小鼠的聽覺皮層第2/3層群體神經(jīng)元的反應(yīng)，解析了對(duì)感覺信息進(jìn)行范疇化（categorization）的皮層神經(jīng)元群體運(yùn)算機(jī)制。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的研究人員對(duì)皮層大量神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在聽覺皮層中存在范疇抉擇相關(guān)的單細(xì)胞反應(yīng)，并且，聽覺皮層神經(jīng)元的信息編碼會(huì)根據(jù)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(xù)的感覺信息轉(zhuǎn)化為任務(wù)相關(guān)的范疇信息。研究人員通過對(duì)群體神經(jīng)元活動(dòng)的解碼，也驗(yàn)證了任務(wù)態(tài)下聽皮層神經(jīng)元活動(dòng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測小鼠執(zhí)行聽覺范疇分類任務(wù)的表現(xiàn)。

為什么需要對(duì)感覺信息進(jìn)行分類或范疇化？這是由于人們大腦接收到的來自客觀世界的感覺信息紛繁復(fù)雜，而人們能夠形成的概念和采取的行動(dòng)則數(shù)目有限，為了形成有意義的認(rèn)知來指導(dǎo)行為，大腦需要對(duì)這些信息進(jìn)行高效的組織管理，而其中最基本的過程就是范疇化（categorization），簡單來講，就是對(duì)外來刺激進(jìn)行分類與定位，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(dāng)接收到豐富多樣的語音信息，大腦會(huì)把這些語音歸類到屬于不同的熟悉的人，或?qū)儆谀吧恕．?dāng)你接到一個(gè)電話時(shí)，即使因?yàn)榄h(huán)境干擾和電話通話噪聲等因素而導(dǎo)致語音物理參數(shù)發(fā)生變化或扭曲，你仍然可以輕而易舉識(shí)別出電話里的語音是否屬于某一個(gè)熟人，或?qū)儆谀吧恕＿@個(gè)過程就涉及到對(duì)聲音信息的類別判斷。另一個(gè)例子是關(guān)于人們對(duì)于色彩的認(rèn)知。當(dāng)看到彩虹時(shí)，盡管其中可見光的波長實(shí)際上是連續(xù)變化的，然而人們對(duì)于波長的物理數(shù)值難以形成感性認(rèn)知或顏色概念，因此需要將連續(xù)的波長信息范疇化，將其定義為離散的七種顏色類別（紅橙黃綠青藍(lán)紫），便于信息存儲(chǔ)與交流。這說明感覺信息范疇化可以幫助大腦高效存儲(chǔ)信息和形成認(rèn)知。因此，認(rèn)知心理學(xué)研究認(rèn)為，范疇化是人們對(duì)外界形成感知并且做出行動(dòng)的一個(gè)普遍而基本的過程。

大腦如何將復(fù)雜而又連續(xù)的刺激信息范疇化呢？這里面的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制是什么？對(duì)于這些問題的解答將使人們對(duì)腦認(rèn)知功能的生物學(xué)基礎(chǔ)和神經(jīng)計(jì)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(shí)到這個(gè)問題的重要性。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的著名神經(jīng)科學(xué)家Earl Miller的實(shí)驗(yàn)室早在2001年就在Science發(fā)表論文，提出獼猴前額葉可以產(chǎn)生視覺信息分類相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。該論文的第一作者David Freedman后來(2006年)又在Nature發(fā)表論文，提出在后頂葉皮層也有編碼視覺分類的神經(jīng)活動(dòng)。這些研究開啟了信息分類和感知覺范疇化神經(jīng)機(jī)制研究的新領(lǐng)域。但是這些研究中所發(fā)現(xiàn)的與感知類別相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)，更多地代表神經(jīng)運(yùn)算的結(jié)果，而感覺信息怎樣被轉(zhuǎn)化為離散的類別信息的神經(jīng)運(yùn)算過程卻并不清楚。

為了探索這個(gè)問題，腦智卓越中心的研究人員在小鼠中建立了一個(gè)基于聽覺的分類抉擇行為范式，經(jīng)過訓(xùn)練，小鼠可以將不同頻率的純音歸類到“高音”或“低音”范疇。同時(shí)研究人員結(jié)合活體雙光子成像技術(shù)，在動(dòng)物執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)對(duì)聽覺皮層群體神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行大規(guī)模記錄，并結(jié)合進(jìn)一步的定量分析，從而研究了大腦皮層的神經(jīng)元如何通過動(dòng)態(tài)編碼將感覺信息轉(zhuǎn)化為類別信息的機(jī)制。研究的具體過程是，清醒小鼠在頭部固定的情況下被放置在隔音箱內(nèi)，經(jīng)過訓(xùn)練它們可以將連續(xù)的單一頻率聲音(6種或者8種)按照設(shè)定的類別邊界劃分成兩種類別：低頻組或者是高頻組，一般小鼠在經(jīng)過一周的訓(xùn)練后可以達(dá)到80%以上的正確率（圖A和圖B）。隨后，開始雙光子成像的實(shí)驗(yàn)（圖C）。對(duì)于這些小鼠，研究人員事先在聽皮層神經(jīng)元中利用微量病毒注射的方法表達(dá)鈣指示劑GCaMP6s蛋白，并埋置長期成像窗口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于群體神經(jīng)元活動(dòng)的長期穩(wěn)定記錄。

他們的研究發(fā)現(xiàn)，在單細(xì)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(zhí)行聲音分類任務(wù)中，出現(xiàn)了兩種與分類相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。其中一類的神經(jīng)元表現(xiàn)出對(duì)聲音類別的特異性反應(yīng)，類似于前人在前額葉和后頂葉等下游腦區(qū)發(fā)現(xiàn)的類別相關(guān)的神經(jīng)元。例如圖D中的神經(jīng)元只對(duì)于低頻類別聲音有反應(yīng)，而對(duì)于高頻類別幾乎沒有反應(yīng)。另外一類神經(jīng)元?jiǎng)t表現(xiàn)出對(duì)于類別邊界頻率聲音的選擇性反應(yīng)（圖E），而這種聲音選擇性反應(yīng)在被動(dòng)聽聲音的情況下并不存在，因此是一種任務(wù)依賴的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在群體神經(jīng)元水平上，他們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于靜息狀態(tài)的被動(dòng)刺激，任務(wù)態(tài)下聽皮層對(duì)于相同聲音的編碼在群體構(gòu)成上出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整（圖F）。進(jìn)一步通過對(duì)群體神經(jīng)元活動(dòng)的解碼，發(fā)現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整使得聽皮層神經(jīng)元活動(dòng)能夠準(zhǔn)確可靠地預(yù)測動(dòng)物的行為任務(wù)（圖G - H）。因此，該項(xiàng)工作揭示聽覺皮層神經(jīng)元群體可以根據(jù)分類任務(wù)的需要，動(dòng)態(tài)調(diào)整信息編碼特性，形成利于提高分類邊界分辨能力的群體編碼結(jié)構(gòu)，從而提出了感知分類的一個(gè)新的神經(jīng)運(yùn)算機(jī)制。這一成果對(duì)于感覺皮層在認(rèn)知過程中的信息處理機(jī)制提出了新的理解和預(yù)期，并且可能有助于啟發(fā)人工智能算法設(shè)計(jì)的新思路。

該項(xiàng)工作在研究員徐寧龍的指導(dǎo)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(jí)工程師潘璟瑋，助理研究員周濤濤也做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到國家基金委、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院重點(diǎn)前沿項(xiàng)目、青年千人計(jì)劃等的資助。

圖注：A、頭部固定小鼠的行為范式。被動(dòng)情況下小鼠只需要聽聲音，不需要做出反應(yīng)。B、小鼠行為學(xué)的心理物理曲線。C、雙光子成像示意圖。D、對(duì)于聲音的類別有選擇性反應(yīng)的示例神經(jīng)元。E、對(duì)于類別的分界處的聲音有特意選擇性的示例神經(jīng)元。F、使用群體神經(jīng)元活動(dòng)來預(yù)測單次實(shí)驗(yàn)中小鼠的行為，與小鼠實(shí)際的行為選擇具有顯著的相關(guān)性。G、群體神經(jīng)元活動(dòng)的解碼結(jié)果跟小鼠的抉擇行為顯著相關(guān)。H、通過解析群體神經(jīng)元活動(dòng)得到的神經(jīng)測量曲線跟小鼠行為學(xué)的心理物理曲線高度相似。