研究發現注意力引導眶額皮層神經元的價值編碼

近日，eLife期刊在線發表了題為《注意力能夠調節眶額皮層神經元對外界物體的價值編碼》的研究論文，該研究由中國科學院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心楊天明研究組完成。該研究使用清醒獼猴在體電生理記錄，發現獼猴眶額皮層神經元實時反映大腦正在關注的物體的價值。這一研究解釋了注意力和價值編碼在抉擇過程中的相互關係。

抉擇在生活中隨處可見，比如在水果店挑選橙子。我們挑選橙子的過程往往是一個一個拿起來，看一看，聞一聞，決定放回去或者裝進袋子里，然後再挑下一個。在挑選的過程中，具有顏色鮮亮、香氣馥郁、大小適中等特徵的橙子會通過我們的感覺系統來吸引我們的注意力，讓我們進一步對它們進行挑選，以決定它們的「去留」。有趣的是雖然不同的感覺信息能夠同時被大腦並行處理，可我們的抉擇過程往往只能依次進行，是一個串列的過程。而注意在抉擇等認知過程中從並行到串列的轉化過程中所起到的作用，目前還知之甚少。楊天明研究組通過對大腦眶額葉中對價值信息的編碼的研究，對這一問題進行了研究。眶額皮層是大腦的高級認知中樞前額葉的一個子區，因其位置處於眼眶上方而得名。前人的研究表明，眶額皮層是大腦獎賞環路中的關鍵一環。它接受並整合視覺、味覺、嗅覺等多重感覺信息的輸入，能夠編碼物體的價值，在抉擇過程的價值評估中起到關鍵作用。而這項新的研究則進一步針對眶額葉在抉擇認知過程中究竟更多地採用串列還是並行的方式、注意力是如何調控這一腦區的價值信息編碼等問題進行了探索。

注意力、獎勵和抉擇這些因素在正常情況下高度相關。為了把這些因素對神經元的編碼的影響進行區分，研究人員設計了一個精巧的實驗。在這個實驗中，獼猴只需要在顯示器上觀看一些代表不同大小的果汁獎勵的圖片。如果屏幕上只有一張圖片，獼猴只要保持眼睛注視屏幕中央，不用做任何選擇即可得到相應的獎勵。如果屏幕上同時出現兩幅圖片，則由計算機隨機挑選其中的一幅作為最終的獎勵，獼猴依舊不需要做任何選擇。同時，在一些測試中，兩幅圖片中的一幅還會通過迅速轉動來吸引獼猴的注意力，然而這種轉動並不會改變獎勵的大小，也和計算機隨機挑選的獎勵圖片無關，對獼猴來說並沒有任何意義。獼猴只是因為圖片突然發生旋轉而會不由自主地把注意力轉向這張圖片。通過這樣的實驗設計，注意力、獎勵和抉擇這些因素就被分開了。

在獼猴觀看兩張圖片的時候，雖然最終獲得的獎勵可能是其中的任意一幅，但是研究人員通過測量獼猴的瞳孔反應，發現獼猴的注意力總是集中在獎勵比較大的圖片上。同時，眶額葉神經元也與注意力保持高度一致，僅編碼了獎勵較大的圖片的價值，而忽略了另一張圖片。但是，如果在展現圖片的過程中，研究人員通過轉動其中的一張圖片來吸引獼猴的注意力，眶額葉的神經元則會跟隨注意力來編碼被轉動的圖片的價值，即使這張圖片所代表的獎勵較小。研究人員發現幾乎每個編碼價值的眶額葉神經元都呈現出這種性質而鮮有例外。通過一個計算模型，研究人員進一步說明了注意力的受到圖片轉動的影響而切換的可能性與兩張圖片的價值相關。如果獼猴原先注意力所在的圖片代表很大的獎勵，注意力切換到其他圖片的可能性會比較小。這就像我們在閱讀一本非常有趣的書的時候就不容易受到打擾一樣。如果我們讀的書乏味無趣，那麼外界一點小動靜就會吸引我們的注意力。

這項研究的結果表明，與大腦視覺皮層並行編碼多個物體的視覺性質的情況不同，眶額葉神經元僅編碼注意力所在的物體的價值。因此，大腦對價值信息的處理，在眶額葉皮層已經轉化為一個串列的過程。由於神經科學家們普遍認為眶額葉編碼的價值信息被前額葉更高級的腦區運用來進行價值判斷和抉擇，這項研究很可能意味著大腦的價值抉擇過程是一個串列過程。而眶額葉也有別於較低級的感覺皮層，位於大腦信息處理的較高層次，其神經元的活動反映了我們的抉擇和認知的過程。

該研究在研究員楊天明的指導下，由博士生謝洋和聶車暢完成。該課題獲得了中科院百人計劃、上海市科委科研計劃項目（15JC1400104）的支持。

圖註：（A）獼猴在同時觀看兩張圖片的時候，獼猴的注意力集中在關聯較大獎勵的圖片，而眶額皮層神經元電活動也僅僅編碼價值較大圖形的價值。（B）在通過轉動圖片來吸引獼猴的注意力的時候，眶額葉神經元的電活動被注意力所引導，編碼了被轉動的圖片的價值。（C）計算模型很好解釋了注意力的切換與圖片價值之間的相互關係。圖中虛線為當圖形轉動時由於注意力轉換而引起的神經元發放的變化。其中綠色虛線為計算模型的預測，紅色虛線為實際數據。詳見Xie, Nie, and Yang, 2018.

來源：中國科學院上海生命科學研究院

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