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编译服务: 生物安全网络监测与评估 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn 编译时间: Jul 17, 2019 点击量: 18

几十年来,研究表明我们对世界的看法受到我们期望的影响。这些期望,也被称为“先前的信念”,帮助我们根据过去的相似经验来理解我们现在所感知的东西。例如,考虑一个经验不足的实习生很容易错过患者X射线图像上的阴影如何跳出经验丰富的医生。医生的先前经验有助于她对弱信号进行最可能的解释。

将先验知识与不确定证据相结合的过程被称为贝叶斯整合,并且被认为会广泛影响我们的感知,思想和行为。现在,麻省理工学院的神经科学家已经发现了对这些先前信念进行编码的独特脑信号。他们还发现大脑如何利用这些信号在不确定的情况下做出明智的决定。

“这些信念如何影响大脑活动并偏向我们的观念是我们想要回答的问题,”生命科学的Robert A. Swanson职业发展教授,麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员Mehrdad Jazayeri说。这项研究的资深作者。

研究人员训练动物进行计时任务,他们必须重现不同的时间间隔。执行此任务具有挑战性,因为我们的时间感不完美,可能过快或过慢。但是,当间隔始终在固定范围内时,最佳策略是将响应偏向范围的中间。这正是动物所做的。此外,从额叶皮质中的神经元记录揭示了贝叶斯整合的简单机制:先前的经验扭曲了大脑中时间的表示,使得与不同区间相关的神经活动模式偏向于在预期范围内的那些。

麻省理工学院博士后Hansem Sohn,前博士后Devika Narain和研究生Nicolas Meirhaeghe是这项研究的主要作者,该研究出现在7月15日出版的Neuron杂志上。

预备,准备,开始

几个世纪以来,统计学家已经知道贝叶斯积分是处理不确定信息的最佳策略。当我们对某些事情不确定时,我们会自动依赖我们以前的经验来优化行为。

Jazayeri说:“如果你不能说出什么是东西,但根据你以前的经验,你对它应该是什么有一些期望,那么你将使用这些信息来指导你的判断。” “我们一直这样做。”

在这项新的研究中,Jazayeri和他的团队希望了解大脑如何编码先前的信念,并将这些信念用于控制行为。为此,研究人员使用称为“准备就绪”的任务训练动物重现时间间隔。在该任务中,动物测量两次闪光之间的时间(“准备”和“设定”),然后通过在相同的时间量过去之后做出延迟响应来产生“去”信号。

他们训练动物在两种情况下完成这项任务。在“短”情形中,间隔在480和800毫秒之间变化,而在“长”情况下,间隔在800和1,200毫秒之间。在任务开始时,动物被给予关于背景的信息(通过视觉提示),因此知道期望来自较短或较长范围的间隔。

Jazayeri此前曾表示,执行此任务的人倾向于将他们的反应偏向中间范围。在这里,他们发现动物也是如此。例如,如果动物认为间隔很短,并且间隔为800毫秒,则它们产生的间隔略短于800毫秒。相反,如果他们认为它会更长,并且被给予相同的800毫秒间隔,则它们产生的间隔时间略长于800毫秒。

Jazayeri说:“除了动物的信念导致不同的行为外,几乎所有可能的试验都是相同的。” “这是令人信服的实验证据,表明该动物依赖于自己的信仰。”

一旦他们确定动物依赖于他们先前的信念,研究人员就开始寻找大脑如何编码先前的信念来指导行为。他们记录了额叶皮层区域内大约1,400个神经元的活动,他们之前已经显示这些神经元参与计时。

在“准备好”时期,每个神经元的活动概况以自己的方式进化,并且大约60%的神经元具有不同的活动模式,这取决于背景(短与长)。为了理解这些信号,研究人员分析了整个人群随时间推移的神经活动的演变,并发现先前的信念通过将时间的神经表示扭曲到预期范围的中间而偏向行为反应。

嵌入式知识

研究人员认为,先前的经验改变了神经元之间连接的强度。这些连接的强度(也称为突触)决定了神经元如何相互作用并限制互连神经元网络可以产生的活动模式。先前经历扭曲神经活动模式的发现为经验如何改变突触连接提供了一个窗口。 Jazayeri说:“大脑似乎将先前的经验嵌入到突触连接中,因此大脑活动的模式具有适当的偏见。”

作为对这些想法的独立测试,研究人员开发了一种计算机模型,该模型由可以执行相同的准备就绪任务的神经元网络组成。使用从机器学习中借鉴的技术,他们能够修改突触连接并创建一个表现得像动物一样的模型。

这些模型非常有价值,因为它们为底层机制的详细分析提供了基础,这一过程被称为“逆向工程”。值得注意的是,逆向工程模型显示它以与猴子大脑相同的方式解决了这项任务。根据先前的经验,该模型还具有扭曲的时间表示。

研究人员使用计算机模型进一步剖析了使用目前在大脑中无法进行的微扰实验的潜在机制。使用这种方法,他们能够证明,不扭曲神经表征可以消除行为中的偏见。这一重要发现证实了翘曲在先验知识的贝叶斯整合中的关键作用。

研究人员现在计划研究大脑是如何建立起来的,并慢慢微调突变连接,这些连接编码先前的信念,因为动物正在学习执行计时任务。

该研究由感觉运动神经工程中心,荷兰科学组织,Marie Sklodowska居里重返社会资助,国立卫生研究院,斯隆基金会,克林根斯坦基金会,西蒙斯基金会,麦克奈特基金会和麦戈文研究所资助。

——文章发布于2019年7月15日

 

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