摘要：”在之前的研究中，美國明尼蘇達大學神經學家戴維·雷迪什（David Redish）和已故的亞當·約翰遜（Adam Johnson）揭示了動物在迷宮中穿行時，其位置細胞也出現了類似的來回掃描未來可能位置的現象。研究人員訓練大鼠在一個W形迷宮中交替走不同的路線，同時用電極記錄其大腦中位置細胞的活動。

　　當大腦在思考多種可能的情景時，可以將其表示爲與特定腦電波單個週期相一致的快速交替信號。該過程將情景信息打包起來，但也使其保持不同。

新浪科技訊 北京時間4月23日消息，當面臨某個決策時，大腦會在快速交替的腦電波週期中對各種選項進行權衡。

在日常生活中，所有人都經常會面臨有意識和無意識的選擇。這不僅僅包括喫什麼、穿什麼，或者怎樣度過週末，還包括應該用哪隻手拿筆，以及是否要改變坐姿等。爲了做出哪怕微不足道的決定，我們的大腦都會從一堆“如果”中進行篩選，並權衡各種假設。即使是那些看起來是自動做出的選擇——比如避開一輛超速行駛的汽車——大腦也能非常迅速地從以往經驗中進行推斷，做出預測並指導你的行爲。

在近期發表於《細胞》（Cell）雜誌的一篇論文中，美國加利福尼亞州的一組研究人員對即將做出決定的大鼠大腦進行了仔細研究，觀察它們的神經元如何對已有的競爭性選項做出快速決定。該研究所描述的機制可能不僅是決策的基礎，而且是動物設想更抽象可能性——類似於想象力——的能力基礎。

該研究團隊由美國加州大學舊金山分校的神經學家洛倫·弗蘭克（Loren Frank）領導，他們研究了大鼠海馬體的細胞活動。海馬體是一個海馬狀的大腦區域，被認爲在導航以及記憶的存儲和檢索方面起着至關重要的作用。研究人員對一種名爲“位置細胞”（place cell）的神經元給予了額外關注。這種神經元又被稱爲“大腦的GPS”，因爲當動物在空間中移動時，它們會在大腦中描繪出其所處位置。

　　在迷宮中央時，大鼠的一些位置細胞會在它們向左轉彎之前（和過程中）發出信號，而另一些位置細胞則是在向右轉彎之前（和過程中）發出信號。一個合乎邏輯的猜測是，當大鼠接近轉彎點時，這兩組位置細胞有時會同時發出信號，因爲在迷宮的這一區域，位置細胞的共同活動反映了大鼠當前的位置。然而，這一現象從未出現過。相反地，兩組位置細胞會輪流發出電信號。

當動物在環境中移動時，位置細胞能以特定的順序非常快速地發出信號。這種活動相當於從動物身後掃描至動物前方。研究表明，這種向前的掃描也包含了目標或獎勵位置的信息。在老鼠大腦中，這些神經活動模式被稱爲“θ週期”，大約每秒重複8次，這代表了老鼠不斷更新的虛擬軌跡。

不過，弗蘭克的團隊現在發現，當一種動物即將行動時，與θ週期相關的神經活動會在不同的未來可能路徑之間來回反覆發生。這不僅僅是對即將發生的事情進行預測，而且可以視爲一種對衆多可能性的高速反覆嘗試。

腦電波中交替出現的情景

研究人員訓練大鼠在一個W形迷宮中交替走不同的路線，同時用電極記錄其大腦中位置細胞的活動。實驗開始後，大鼠會跑到迷宮的中間，然後向左或向右轉。研究人員注意到，當大鼠到了必須決定轉左或轉右的時候，它們的位置細胞出現了一些奇怪的行爲。

在迷宮中央時，大鼠的一些位置細胞會在它們向左轉彎之前（和過程中）發出信號，而另一些位置細胞則是在向右轉彎之前（和過程中）發出信號。一個合乎邏輯的猜測是，當大鼠接近轉彎點時，這兩組位置細胞有時會同時發出信號，因爲在迷宮的這一區域，位置細胞的共同活動反映了大鼠當前的位置。然而，這一現象從未出現過。

相反地，兩組位置細胞會輪流發出電信號。這就好比，在大鼠決定走哪條路之前，它的海馬體通過交替處理“左”和“右”兩個選項來決定即將面對的位置變化，並始終保持二者的區別。

“大腦在努力地把這些信號區分開，”弗蘭克說，“但問題是，爲什麼要這麼做？”在之前的研究中，美國明尼蘇達大學神經學家戴維·雷迪什（David Redish）和已故的亞當·約翰遜（Adam Johnson）揭示了動物在迷宮中穿行時，其位置細胞也出現了類似的來回掃描未來可能位置的現象。但是，這些變化似乎與更慎重的行爲有關，兩位科學家沒有研究“左”或“右”的表現是隨機出現的還是更有規律的。

相比之下，加州大學舊金山分校的研究小組所確定的變化與每一個θ週期都是精確吻合的。在一個θ週期內，海馬體產生左轉選擇的信號，然後在下一個θ週期中切換到右轉選擇。在整個實驗過程中，這些場景並不總是完美地交替出現，有時相同的場景會持續數個週期，但信號中的結構是不可否認的。這些125毫秒的序列似乎將大腦對未來的不同假設分隔成一個連貫的整體框架。

“這其中最令人驚訝的是它的規律性。這太不可思議了，”紐約大學醫學院的神經學家喬治·布薩基（György Buzsáki）說， “這是一個一一對應的關係：一個週期向左，一個週期向右，然後再向左，然後再向右。”布薩基並未參與這項新研究，但他表示，這種高度結構化的安排可以使每一個“如果”場景都能以平衡、有序的方式得到測試，從而有可能做出有利的決定。

當弗蘭克和同事們更仔細地觀察θ週期的神經活動時，他們發現，每個週期的第一部分與大鼠當前的位置相對應，而第二部分顯示的纔是“向左”或“向右”的選擇。整個模式看起來有點像“當前位置—向左的可能性—當前位置—向右的可能性”，然後不斷重複。

保留所有可能選項

研究數據中也體現了其他一些有趣的模式。例如，研究人員發現，θ週期不僅在大鼠面臨的左、右可能性之間反覆轉換，而且有時個別週期還會包括改變路線的可能性。這一發現令人困惑，因爲在那個時候，這種改變似乎不是大鼠需要考慮的選項。

哥倫比亞大學博士後研究者、《細胞》雜誌這篇論文的第一作者肯尼斯·凱（Kenneth Kay）認爲，這一事實違背了海馬體只能預測動物接下來會遇到什麼情況的觀點。他說：“這表明，這種循環結構可能是聯繫海馬體所能編碼的各種事物的一種普遍方式。”

這種情況，“看起來像是一種思維的明確表達，‘如果我走另一條路，會發生什麼，是否值得回頭？’，”弗蘭克說道。

因此，當涉及到對假想情景進行編碼時，θ週期似乎有着更普遍的用途。加拿大麥吉爾大學的神經學家馬克·布蘭登（Mark Brandon）沒有參與這項研究，他表示，每個θ週期“都包含特定的內容”。他指出：“可能是‘左轉’或‘右轉’，但從更廣義的角度，可以是某段特定的記憶，或者發生了某個特定的事件，被編碼在了由θ振盪所提供的這125毫秒的週期內。”

戴維·雷迪什也沒有參與這項新研究，但他同意布蘭登的觀點。“它不只是代表空間，也代表了某種情節結構，”他說。“關鍵在於考慮你的選擇。”

研究人員說，θ週期可能是一個基本的計算單位，海馬體用其來測試這些抽象的選擇。大多數情況下，θ週期的內容可能基於經驗，可以使動物對變化的環境做出快速和靈活的反應，比如逃離捕食者。但是，“我們的研究也表明，θ週期不一定會在未來以任何直接或非常明顯的方式幫助我們，”肯尼斯·凱說，“它可能在更廣泛的創造性、生產性或想象過程中發揮作用。”

這種可能性將海馬體的定位從一個通過與記憶相關的功能來輔助決策的大腦區域，提高到一種學習結構，可以從想象的未來情景中產生並提取信息，模擬可供其他大腦區域評估和採取行動的選項。θ週期似乎是一個清晰的切入點，有助於闡明海馬體究竟如何運作。

在理解其他認知過程或神經系統的狀況時，轉瞬即逝的θ週期也可能起到至關重要的作用。通常，對神經過程的研究會在試驗過程中均勻地觀察細胞活動，但弗蘭克及其同事的工作證明，當信息以更快的時間尺度進行“打包”時，對其進行解析將非常重要。

研究人員目前正在研究導致θ週期交替模式的機制，以及這種活動如何在決策過程中影響大腦的其他部分。他們還在進行了涉及兩種以上選擇情景的迷宮實驗。儘管齧齒類動物的大腦節律與人類不同，但研究人員希望他們的發現也能適用於包括人類在內的其他物種。“對認知和想象的精細時間尺度結構，我們只瞭解皮毛，”肯尼斯·凱說，“一想到這一點，我就覺得很有趣。”（任天）