徐宁龙团队揭示听觉皮层编码听觉认知的新机制

来源：iNature

“你在哪里呢？”当你接到这样一个电话时，即使环境嘈杂、信号不好，你仍然可以不费吹灰之力就听出电话那头的声音是熟人还是陌生人。每天，我们的大脑接收来自客观世界的感觉信息纷繁复杂，大脑对外来刺激进行分类后，我们才有了感知判断。那么大脑是如何开展这项工作的呢？

2019年7月8日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究员团队在Neuron 在线发表题为“Sensory-to-Category Transformation via Dynamic Reorganization of Ensemble Structures in Mouse Auditory Cortex”的研究论文，该研究揭示了其中的奥秘，解析了大脑对感觉信息进行范畴化的皮层神经元群体运算机制。

感性决策是一种简单的决策形式，在各种动物中被广泛研究以了解决策的神经基础。哺乳动物后顶叶皮层（PPC）是大脑区域之一，决策过程中活动很强烈。然而，最近的研究报道抑制PPC神经元并不影响动物在抉择行为中的表现，也即PPC神经元活动与抉择行为之间可能并没有因果关系。因此，决策过程中PPC是否发挥作用仍存有疑问。2019年4月29日，中国科学院神经科学研究所徐宁龙团队在Nature Neuroscience上发表了题为“Causal contributions of parietal cortex to perceptual decision-making during stimulus categorization”的文章，揭示了PPC在为刺激分类做出感知决策的动态学习过程中的因果作用（点击阅读）。

本世纪初，美国神经科学家就发现了与感知类别相对应的神经活动，并开启了信息分类和感知觉范畴化神经机制研究新领域。然而，以往的研究侧重的是神经运算的结果，对于感觉信息怎样被转化为离散的类别信息这一神经运算过程，并没有明确答案。

将感觉信息分选为离散类别的能力对于生存和认知的基础至关重要。在分选过程中，大脑将连续的感觉信息转换为离散类，这是一个计算过程，代表决策过程中感觉输入和运动输出之间的关键中间步骤。已经在不同物种的各种脑区观察到与刺激类别相关的神经活动。然而，这些活动的模式通常直接映射到类别成员关系，反映了分选过程的读数，而分类计算的神经环路机制仍然不清楚。

徐宁龙研究员和论文第一作者博士研究生辛宇在安装小鼠行为训练装置（中科院科技摄影联盟 曹发华 摄）

除了感觉特征分析之外，已经显示感觉皮质执行行为相关的计算。例如，感觉皮层接受丰富的自上而下的反馈输入，展示与选择相关的活动，并且受到运动行为的强烈调节。初级听觉皮层已被证明受行为背景调节，并且涉及除基本特征提取之外的更复杂的计算。

在该研究中，研究人员结合鼠听觉心理物理行为和来自听觉皮层的体内双光子成像，研究了在刺激分类任务期间皮质神经元如何实现感觉到类别转换。与被动聆听期间的反应不同，许多神经元在任务执行期间对类别边界附近的刺激表现出紧急选择性，重塑了局部调整图;其他神经元对刺激的类别更具选择性。

总而言之，研究表明：在听觉皮层中存在范畴抉择相关的单细胞反应；听觉皮层神经元的信息编码会根据任务需要发生动态变化，有利于把连续的感觉信息转化为与任务相关的分类信息。此外，研究也验证了在分类任务状态下听觉皮层神经元活动能够准确预测小鼠执行听觉范畴分类任务。

“我们揭示了听觉皮层神经元群体可以根据分类任务的需要，动态调整信息编码特性，有利于提高分类边界分辨能力的群体编码结构。”徐宁龙表示：“这一成果对感觉皮层在认知过程中的信息处理机制提出了新的理解和预期，我们希望能有助于启发人工智能算法设计的新思路，比如优化算法、提高分辨率等。”

注：部分解析参考科学网。

参考解析链接：

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/7/428186.shtm

参考信息：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30532-X

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