2018年7月3日

研究揭示了大脑将视觉转化为行动的位置

你看到食品储藏室里有面粉，就伸手去拿。你看到交通灯变绿了，所以你踩油门。虽然视觉反应和行动反应之间的联系对日常生活来说很简单，也很重要，但神经科学家们一直在争论这种联系在哪里以及它是如何形成的。但在一项新的研究中自然通讯在美国，麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的一个团队提供了证据，证明大脑中一个被称为后顶叶皮层(PPC)的关键区域在将视觉转化为行动方面发挥着重要作用。

大脑与认知科学系神经科学教授、资深作者Mriganka Sur、Paul E.和Lilah Newton说:“为行动服务的视觉始于眼睛，但随后这些信息必须转化为运动命令。”“这就是计划开始的地方。”

苏尔说，这项研究可能有助于解释一些脑损伤或中风患者的一个特殊问题，即“脑半球忽视”。在这种情况下，人们无法对视野一侧的物体采取行动，甚至无法感知物体。他们的眼睛和身体都很好，但大脑就是没有产生这样的概念，即有什么东西可以触发行动。一些研究表明在这种情况下PPC会受到损害。

在这项新的研究中，研究小组确定了PPC在小鼠中的确切作用，并表明它含有多种蛋白质的混合物神经元适应视觉处理，决策和行动。

“这使得PPC成为将感觉信号灵活地映射到运动动作的理想管道，”前苏尔实验室研究生、现供职于哈佛大学的杰拉尔德·弗(Gerald Pho)说。Pho与前麻省理工学院博士后，现任职于加州大学圣巴巴拉分校的Michael Goard共同撰写了第一作者。

老鼠看，老鼠做

为了进行这项研究，研究小组对老鼠进行了一项简单的训练:如果它们看到屏幕上的条纹图案向上漂移，它们就可以舔喷嘴以获得液体奖励，但如果它们看到条纹向一侧移动，它们就不应该舔，以免它们得到苦味液体。在某些情况下，它们会暴露在相同的视觉模式下，但喷嘴不会出现。通过这种方式，研究人员可以比较神经元对视觉模式的反应，有或没有潜在的运动动作。

当老鼠观看视觉模式并决定是否舔舐时，研究人员记录了它们大脑两个区域中每个区域的数百个神经元的活动:处理视觉的视觉皮层和PPC，它接收来自视觉皮层的输入，但也有来自许多其他感觉和运动区域的输入。每个区域的细胞都被设计成当它们活跃时发出更明亮的光，这让科学家们清楚地知道它们是什么时候开始参与这项任务的。

正如预期的那样，视觉皮层神经元主要在图案出现和移动时被激活，尽管它们对一种视觉图案或另一种视觉图案的反应大致平均。

老鼠PPC中的神经元被设计成活跃时发光，当老鼠看到刺激并决定是否启动舔舐动作时，它们就会闪烁。图源:苏尔实验室/麻省理工学院皮考尔研究所

PPC神经元表现出更多样的反应。有些神经元的行为类似于视觉皮层神经元，但大多数(约70%)的活动是基于舔舐模式是否朝着正确的方向移动(向上)，并且只有在喷嘴可用的情况下才会活跃。换句话说，大多数PPC神经元不仅对看到的东西有选择性的反应，而且对任务的规则和对正确的视觉线索采取行动的机会有选择性的反应。

Goard说:“PPC中的许多神经元似乎只有在视觉输入和运动动作的特定组合时才活跃。”“这表明，它们不是在感觉或运动处理中扮演特定的角色，而是可以灵活地将感觉和运动信息联系起来，帮助小鼠对环境做出适当的反应。”

但即使是偶尔的错误也很有启发性。考虑喷嘴可用，条纹向侧面移动的情况。在这种情况下，即使老鼠可以舔，它也不应该舔。不管老鼠的决定如何，视觉皮层神经元的表现都是一样的，但PPC神经元在老鼠错误舔之前比老鼠不舔之前更活跃。这表明许多PPC神经元是面向行为的。

规则逆转

研究人员还没有完全相信PPC是在看到正确的条纹运动的基础上做出舔舐的决定的，他们改变了任务的规则。现在，喷嘴会在舔到横向条纹图案时将奖励滴出，当条纹向上移动时，喷嘴会喷出苦味液体。换句话说，老鼠看到的仍然是同样的东西，但它们对行动的意义却颠倒了。

对同样的老鼠重新训练后，研究人员再次观察了相同区域的相同神经元。视觉皮层神经元的活动完全没有改变。那些跟随上升或横向模式的股票模式还是像以前一样。毕竟，老鼠看到的东西并没有改变。