Nature：哈佛醫學院利用VR技術研究神經元在決策中的作用

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近日，來自哈佛醫學院（Harvard Medical School，HMS）和義大利理工學院（Istituto Italiano di Tecnologia，IIT）的科學家在虛擬現實（virtual reality）的迷宮裡訓練老鼠進行語音識別任務，發現在不同腦功能皮層區域的神經元群體在面對決策時形成鮮明對比，揭示了工作記憶和決策的潛在神經機制。這一研究以「Distinct timescales of population coding across cortex」（不同皮層編碼的時間尺度）為題發表在《自然》（Nature）雜誌上。

哈佛醫學院神經生物學助理教授、共同通訊作者Christopher Harvey表示，他們的研究是朝著大腦思考的方向發展，而不是單個神經元的活動，即當神經元在一起工作時有什麼特殊之處。在他看來，揭示神經元群體如何工作和應對緊急情況產生的反應有助於我們更好地理解複雜腦功能的基礎機制。

為了探索神經元群體如何在大腦的不同區域在一起工作，Harvey和他的同事對小鼠在虛擬現實環境中進行訓練。

例如，讓老鼠在一個漂浮在空氣墊上的球體上跑步，一個T形迷宮投影到他們面前的屏幕上並發出聲音，讓老鼠判斷這一聲音是來自迷宮的左側還是右側。

隨著小鼠開始執行任務，研究團隊開始記錄神經元群體活動，大約每次50組神經元群體，包括處理聲音的聽覺皮層（auditory cortex，AC）、皮層刺激區域後頂葉皮層（posterior parietal cortex，PPC）以及其他感官區域，從中找出它們複雜的認知功能相關性。

據悉，這項研究使用最新開發的計算技術來分析每個神經元的影響。結果發現：在聽覺皮層的神經元群體（AC）傾向於相互獨立工作，每個神經元對他人的影響小；相反，後頂葉皮層神經元（PPC）的數量對彼此影響很大，並且似乎協同工作；單個神經元的活動是短暫的，但在不同時間點活躍的神經元在一起工作的神經元可以攜帶更長時間的信息；在後頂葉皮層，強烈的合作活動允許神經元群攜帶聲音識別任務的信息長達1秒鐘；聽覺皮層的神經元群只攜帶幾百毫秒的信息。

Christopher Harvey教授說：「聽覺皮層神經元的瞬時激活非常適合快速波動的聲音。但頂葉皮層神經元在在更長的時間尺度上協同工作，因為它們需要隨著時間的推移整合信息以做出最好的選擇。」

為了支持這一假設，研究小組發現，在試驗中老鼠更容易做出正確的選擇：頂葉皮層神經元似乎作為一個群體工作得更好，神經元的活動具有更強的耦合性。在較弱的耦合試驗中，老鼠似乎更可能做出錯誤的選擇。

雖然單個神經元的活動已經研究了幾十年，但最近的技術進步使神經科學家能夠同時研究大量神經元。Harvey說，這項研究的結果對於解釋神經元群體如何相互作用並揭示出諸如不同的活動時間尺度等湧現的特性，對於研究高級認知功能具有重要意義。

Harvey希望我們能夠理解頂葉和聽覺皮層之間的差異的網路和突觸機制，就越有可能了解短期或工作記憶的機制。在他看來，越是開發出更多的工具和方法來思考神經元的數量，就越能理解大腦。

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參考資料：1）New study reveals contrasts in how groups of neurons function during decision making

2）Distinct timescales of population coding across cortex

3）Contrasts in how groups of neurons function during decision making

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