在认知科学和神经科学领域,理解大脑如何利用先验知识影响决策行为,一直是研究的前沿。先验信息指的是个体对于外界环境状态的预先估计或相信,这种信息与当前感知信号结合,共同决定了个体的感知与行为。近年来随着神经记录技术的飞速发展,科学家们开始逐步揭示先验信息在大脑不同区域的表现形式以及其对决策的贡献。尤其在小鼠模型中,借助脑区范围极其广泛的神经电生理和钙成像数据,研究团队得以从大的网络层面审视先验信息的神经表征,推动了认知神经科学的理解边界。小鼠作为一种高度可控和便于操控的实验动物,已成为探索神经机制的理想对象。国际脑实验室通过对多脑区神经活动的整合录制,细致观察小鼠在视觉判断任务中的表现,展示了先验信息如何影响决策的具体神经基础。
实验证明,小鼠能够灵活利用基于环境统计规律的先验概率,增强对低对比度无信号刺激的决策准确度,其行为模式显示出明显的贝叶斯优化特征。研究运用Neuropixels探针对242个脑区进行录制以及同时采集宽视野皮层钙信号,捕捉了小鼠在任务执行期间和间隙期的神经活动特征。利用这些丰富而大规模的数据,科学家们对先验概率进行了解码,并发现先验信息并非仅仅局限于大脑的高级决策区域,而是在整个神经系统中的多个层次均有体现 - - 这涵盖了从早期的感觉处理通路,包括外侧膝状体和初级视觉皮层,到运动相关脑区如初级和次级运动皮层,乃至前额叶如腹侧外侧眶额皮层和背侧前扣带皮层等。其中不仅包含皮层结构,还有诸如巨细胞网状核和脑桥网状核等亚皮层区域。此现象支持了贝叶斯推断理论中有关大脑作为庞大复杂网络的观点,即先验和感知信息的融合不是线性单向的处理,而是多层级、多方向的信息交互过程。通过对试验间隔时期的神经数据进行线性回归,研究人员成功解码出了小鼠对当前块状先验的主观估计。
该估计在多个脑区表现出较强的解码准确度,这意味着先验信息是全脑广泛共享的,而非孤立于某些决策相关区域。值得注意的是,虽然小鼠并未直接获得块状先验的显性提示,但其主观先验依赖于过去行动的累积经验,即类似"行为核"的机制,这种方法略低于理想贝叶斯最优表现,却能够有效帮助行为优化。行为模型和神经数据的整合分析显示,小鼠并非基于直接的刺激序列计算先验,而是更多依赖自身历史动作的指数加权平均,这一"动作核先验"在神经活动中有更高的识别度且与行为表现紧密相关。为排除先验信号可能只是身体动作或眼动位置等因素引起的伪相关,研究团队利用先进的视频追踪技术估计多种身体动作的运动特征和眼动位置。结果表明,神经解码的先验信息独立于这些外部行为变量,证明了先验信息的神经本质而非简单体态相关。更进一步的因果分析展示了先验信息在大脑不同脑区间的复杂传递模式,包括了皮层与亚皮层间的双向交流和反馈,尤其高级区域对初级感官区的显著反馈环路。
这种多级反馈环路体现了大脑多方向推断与信息整合机制,有助于实现对环境不确定性的高效估计。该研究还揭示了先验编码在刺激呈现后依然存在,且先验的神经表征与刺激本身的表征有显著关联。这种共编码的模式暗示了感知过程中大脑如何联合先验信息和当前感官输入,动态调整可信度和决策策略。理论上,这些发现呼应了概率性神经群体编码(如线性概率群体编码)模型,表明先验的对数几率可以线性从神经活动中解码,符合贝叶斯理论对认知神经编码的预期。研究成果不仅扩展了我们对先验在脑内保存和使用方式的理解,还为开发涵盖复杂反馈和循环网络的神经推断模型提供了实证基础。此外,团队的方法论也展示了大规模统一任务、多区域标准化神经录制结合行为模型分析的强大威力,成为未来认知神经学研究的范式。
总之,小鼠能够利用动作经验建立的主观先验,并将其大规模地编码于全脑多个功能区域,从而优化其感知决策。神经数据揭示了贯穿感觉、运动和高级皮层区域的先验信息共享和循环传递,支撑了贝叶斯推断作为脑信息处理核心原则的观点。未来研究将聚焦于更细致的神经编码机制、先验与似然结合的动态过程以及不同脑区在推断网络中的身份,助力解锁认知智能的神经机理深层密码。 。
