Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions
通过分析执行决策任务的小鼠皮层成像和光遗传学失活数据，本研究揭示了大规模皮层动力学以及额叶区域对知觉选择的具体贡献，会根据动物处于参与性的、由刺激驱动的状态，还是处于脱离性的、受偏置驱动的状态，而发生显著变化。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
每天，动物都要面临一个简单但至关重要的问题：我该往哪走？为了回答这个问题，它必须收集周围世界的线索，将其与已学到的知识进行权衡，然后做出选择。几十年来，研究这些决策的科学家们通常假设大脑像一台单一、稳定的机器一样运行，每次做出决策时都以同样的方式处理信息。但实际上，思维要灵活得多。就像一个人有时会全神贯注于一个谜题，而有时则依赖直觉或习惯一样，动物也会在解决同一个问题时，在不同的内部策略之间切换。有时它们仔细遵循证据；有时它们则会陷入一种偏好某一侧的模式，而不论线索如何。一个重大的问题一直是：大脑是否会改变其布线以支持这些不同的思维模式，如果是这样，大脑的哪些部分负责让动物保持在正确的轨道上？
一个研究小组致力于绘制小鼠大脑中这种隐藏的决策图谱。他们将注意力转向了一项特定的任务，即小鼠在虚拟的 T 形迷宫中导航。当小鼠向前奔跑时，它们会看到一系列视觉塔出现在路径的左侧或右侧。目标很简单：记住哪一侧的塔更多，然后转向那一侧以获得奖励。研究人员收集了数十只小鼠的数据，观察它们执行这项任务的过程，共计进行了数千次试验。为了理解大脑是如何工作的，他们不仅观察小鼠，还使用了一种称为光遗传学的技术。这种方法允许科学家用一束光暂时关闭特定的脑细胞群，有效地通过关闭大脑中的一个开关，来观察当该部分停止工作时会发生什么。通过将这种基于光的干扰与大脑活动记录相结合，该团队可以测试不同脑区如何为决策过程做出贡献。
第一步是确定小鼠在任何给定时刻正在进行什么样的思考。研究人员分析了在没有受到光干扰时小鼠所做的选择。他们发现，小鼠并非只使用一种固定的策略。相反，它们在三种截然不同的心理状态之间漂移。在第一种状态下，小鼠处于高度参与状态，密切关注着塔，并让证据引导它们的决策。在另外两种状态下，小鼠处于脱离状态。在这些时刻，它们很大程度上忽略了塔，转而形成了一种无论看到什么都会向左或向右转的强烈习惯。这些状态并非转瞬即逝；一旦小鼠进入其中一种状态，它往往会在连续许多轮中保持在该状态，有时甚至超过三十次试验。这一发现证实了大脑不仅仅是在处理数据，它还会采用在一段时间内持续存在的不同运作模式。
在确定了这三种状态后，研究人员接着询问当他们沉默不同的大脑部分时会发生什么。他们针对大脑皮层（即大脑顶表面）的数十个位置进行了实验，并观察了小鼠的选择是如何变化的。结果令人震惊，且完全取决于小鼠处于哪种心理状态。当小鼠处于参与型、由证据驱动的状态时，沉默大脑的前部会导致它失去专注力。小鼠不再听从塔的引导，开始盲目猜测，并往往产生一种向某一侧倾斜的强烈偏差。然而，当小鼠已经处于脱离型、存在偏差的状态时，沉默相同的前部大脑却产生了相反的效果。它实际上减少了小鼠原有的偏好倾向，使偏差变得不那么极端。这种矛盾的结果表明，大脑前部作为一个控制中心，对于在动物试图正确做事时维持专注力至关重要，但移除它有时可以减轻干扰的强度，尽管这并不能完全恢复动物利用证据的能力。
研究人员还观察了这些干扰的时机。他们发现，当沉默发生在试验后期，即在小鼠必须做出转向之前时，对大脑前部的沉默影响最大。这表明，大脑前部区域对于保持决策并在心中维持决策以及执行最终选择至关重要，尤其是在动物试图保持准确性时。相比之下，当研究人员沉默大脑后部时，效果则有所不同。这些区域似乎在动物处于偏差、脱离状态时发挥更大的作用，可能有助于维持那些习惯或处理过往奖励的历史信息。
为了看到全貌，团队还使用宽场相机记录了整个大脑表面的电活动。他们发现，与处于偏差状态的小鼠相比，处于参与状态的小鼠大脑前部活跃度更高。此外，当他们尝试根据大脑活动来预测小鼠的选择时，前部区域在参与状态下是最佳预测指标，而后部区域在偏差状态下则更具信息量。这证实了大脑会根据正在使用的策略进行自我重组。大脑前部是保持专注并根据当前证据做出选择的关键枢纽，而当动物退回到习惯模式时，其他区域则会接管主导地位。
这些发现表明，大脑并不是一台具有固定部件和固定功能的静态机器。相反，它是一个动态系统，会根据动物处理问题的方式重新配置其连接和活动模式。大脑前部作为一个关键枢纽脱颖而出，负责维持参与型、基于证据的策略，起到抵御陷入简单偏差倾向的作用。当这个“卫兵”不在位时，动物会迷失方向，但有趣的是，移除它有时可以降低干扰的强度，尽管未必能让动物恢复到最佳表现水平。这项工作为我们提供了一个更清晰的视角，展示了大尺度大脑动力学如何转变以支持不同的思维方式，揭示了通往决策的路径不仅取决于眼前的证据，也取决于大脑当前的策略。
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