决策是人类和动物生活中不可或缺的重要过程,然而长期以来科学界对其神经机制的理解仍然相对有限。最近,一项由国际脑实验室联合22个实验室合作完成的突破性研究首次绘制出了涵盖近95%鼠脑区域的神经活动全景图。这一里程碑式的成果,展示了决策过程中数十万神经元在大脑各区域的广泛激活,为揭开复杂决策行为背后的神经网络提供了宝贵数据和新思路。 该研究收集了139只实验鼠约60万个神经元在279个脑区中的活动数据,通过统一标准的实验流程和数据整合方法,实现了对整个脑部决策过程的同步监测。参与研究的科学家们利用数字神经探针Neuropixels,突破了传统电极只能同时记录少量神经元的限制,将单个神经元的研究规模提升至前所未有的数十万级别。这种技术飞跃使得科学家能够同时观察整个神经网络的动态响应,捕捉到细微而复杂的脑区之间信息传递。
在行为实验中,老鼠被训练通过转动微型方向盘来调控屏幕上黑白条纹圆圈的位置,圆圈初始位置随机出现在屏幕左右任意一侧,鼠标需要将其移动至屏幕中心以获得糖水奖励。实验过程中,Neuropixels探针实时记录神经元的电活动,为解析大脑如何处理视觉信息并决策提供了坚实基础。 研究结果显示,在视觉信息输入后,脑后部处理视觉信号的区域首先显著活跃,随后电信号迅速传播至负责运动控制的脑区,最终伴随鼠标完成操控动作的大脑区域广泛激活。奖励获得后,大脑多个区域继续保持活跃,体现出对行为结果的反馈处理。与此前认为决策主要集中于少数特定脑区的观点不同,新图谱揭示了一个庞大的、多区域协同工作的神经网络,说明决策是整个大脑多重区域分工合作的复杂过程。 该研究还引入了"先验知识"因素,通过调整圆圈的视觉强度,使其有时呈现为几乎不可见的状态,迫使老鼠依赖之前的记忆和判断做出选择。
结果验证了大脑在决策初期即结合了过去经验进行信息处理,这一发现支持了科学家关于决策必须基于预期和先验知识的假设。换言之,决策不仅仅是对当前感官刺激的简单反应,而是一种融合感官输入与内在预测的动态计算过程。 这一巨大的数据集在神经科学领域意义非凡。正如纽约大学Grosman医学院神经科学系主任保罗·格林切博士所言,该成果是规模和深度上前所未有的神经科学数据集,必将成为研究决策和复杂行为的里程碑。国际脑实验室的愿景是打造类似于天文学领域斯隆数字天空调查项目的"脑部数字天空测绘",通过大规模、多机构协作推动神经科学研究迈向更加系统和开放的新时代。 这项研究的成功也印证了跨国协作在自然科学中的重要性。
传统的生物医学研究多为单实验室独立完成,而这种新型多实验室合作模式打破了壁垒,促进了数据共享和技术整合。正如研究作者之一、日内瓦大学基础神经科学教授亚历山大·普吉特所言,他们希望该项目能够激励更多科学家采用类似方法,推动全球神经科学研究的快速发展。 从技术层面来看,Neuropixels探针的问世为神经记录带来革命性变革。相比过去一个数月只能获得百余个神经元数据,Neuropixels能够同步捕获数千神经元的电活动,极大丰富了神经科学家的数据资源。这种突破不仅促进了全脑活动成像,也提升了理解大脑如何协调各区域进行信息处理和行为控制的能力。 尽管该研究针对的是小鼠脑,然而许多神经机制在进化过程中得以保留,对人类大脑乃至复杂认知和决策机制的洞察意义重大。
随着未来研究数据的不断积累和技术的升级,预计科学家能够进一步拆解人类决策背后的细胞和回路层面机制,这对神经科学、心理学、人工智能等领域都有着深远影响。 此外,该脑图谱的发布为发展新型脑疾病诊疗策略提供了基础。许多神经精神疾病诸如抑郁症、焦虑症、强迫症等都伴随着决策障碍,理解全脑决策过程有助于揭示病理机制,实现精准干预和治疗。 总的来看,国际脑实验室绘制的决策全脑神经活动图谱代表了神经科学研究方向的重要转折,不仅扩展了我们对决策大脑基础的认知,也为未来脑科学的发展树立了合作与创新的新标杆。科学家们期待这一成果能够激发更多跨领域、跨国界的研究合作,推动人类理解大脑奥秘的步伐不断前进。随着技术日益成熟,未来我们有望目睹从分子、细胞到行为完整链条的神经解码,进而推动智能科技与医疗健康革命。
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