在学习和识别模式中，大脑感觉皮层到底发生了什么？

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新研究对哺乳动物大脑工作方式的普遍认识发起了挑战！

人的智慧，源于大脑。记忆、语言和情绪等复杂的生理现象均源自于大脑的一系列电生理活动，作为意识的载体，大脑使得人类在感知世界的同时，对外界的诸事诸物做出即时性的判断和反应。

毫无疑问，大脑是人体最复杂的器官之一。直至现在，人类对自身大脑的认知仍极为有限，以至于常常出现新研究将之前观点推翻的现象。

近日，英国苏塞克斯大学的研究人员在国际知名学术杂志Current Biology上发表题为：《Sequence Learning Induces Selectivity to Multiple Task Parameters in Mouse Somatosensory Cortex》的研究论文。

这项新研究表明，大脑感觉皮层中的神经元不仅能探测到感觉信息，实际上还能破译其中的含义并调节身体的反应。这些发现可能对理解感知学习的工作原理，以及人类如何在脑机接口（如假肢）的环境下解释大脑活动具有重要意义。

本研究的通讯作者、神经生物学教授Miguel Maravall及其领导的研究团队用小鼠来了解当我们学习一首新歌或一段演讲时，我们的大脑会发生什么。对此，Maravall解释道：“在这种情况下，让我们学习和识别歌曲的不仅仅是单个音符，而是它们的顺序、节奏或模式。”

研究人员对小鼠进行训练——让它们识别一种传递给胡须的感觉序列，对人类来说，这种感觉就相当于振动我们的指尖。当老鼠通过舔食物来获得奖励的同时，它们会报告自己的学习顺序。

小鼠基本触觉序列的鉴别

大脑皮层是哺乳动物大脑的重要组成部分，机体正是通过这里来理解新事物，并将它们与行为和记忆联系起来。研究团队推断，在老鼠大脑皮层的感觉部位，可能有一组神经元处理这些振动序列。当目标序列出现时，其他地方可能会有另一组神经元促使动物做出反应——这将是动物报告序列的基础。

“然而，我们发现了更有趣的东西。即使在大脑皮层最敏感的部分，我们也观察到神经元直接将学习的序列与动物的运动反应联系起来。一些神经元甚至会对动物是否得到预期奖励做出反应。”Maravall说道。

这些发现表明，感觉皮层并不像之前认为的那样只有感觉功能。如今，这项来自苏塞克斯大学的新研究却表明，感觉皮层也能对我们周围的刺激做出反应，感觉神经元也参与处理刺激的意义，并计划随后的行为反应。

经过良好训练的S1bf神经元反应反映了异质性的任务变量和学习关联

这意味着，学习识别一个特定的模式或序列并处理随之而来的行为和结果——无论是一首新歌还是一段演讲，都涉及到整个大脑皮层的神经元。这从根本上挑战了关于哺乳动物大脑如何工作的基本观点。

对此，Maravall表示：“我们可以将这项研究与我们在收音机里听到一首已经听过很多遍的歌曲的情况进行比较。在短短几个音符内，我们可能会决定把音量调大或关掉收音机。

在训练良好和无经验小鼠中，视觉识别的S1bf层2/3神经元对感觉和任务变量反应的比例

然而，这一过程在教科书上会这样表述：首先，大脑中发生的第一件事是感觉部分的神经元处理并识别歌曲。然后，这一信息被传递到更高的决策中心。紧接着，决策中心会做出一个决定——要么转动音量旋钮，要么按下电源按钮。最后这些信息会被发送到运动指挥中心，从而促使该动作的完成。

表面上看，教科书式的大脑处理过程似乎更为完整可靠，但实际上并不一定是正确的。如今，Maravall等的发现挑战了这一过程：他们看到各种各样的信息传递到感觉皮层，那里的神经元甚至能够预测动物的反应，并报告其结果——似乎完全不需要决策中心的参与。

在训练过程中神经元选择性对序列识别和相关动作的进展

更令人兴奋的是，多个实验室都得出了类似的结果，大脑感觉皮层的神经元所起的作用比我们最初想象的要多得多。这样看来，动物感知世界的能力与指导行为所需的感觉能力是分开的。

“如果感觉与任务本身联系在一起，这就意味着此前我们对大脑皮层功能的认知是有偏差的。”Maravall说道。未来，Maravall博士和他的团队将着眼于这些非感觉神经元是如何连接到大脑的其他部分的，以及它们是否是驱动身体反应的关键。

大脑的奥秘是无穷尽的，人类也在不断积极探索。2020年9月25日，马克斯·普朗克人类认知和脑科学研究所的研究人员在Science Advances上发表题为：《haping brain structure: Genetic and phylogenetic axes of macroscale organization of cortical thickness》的研究论文。

这项研究成功破译了人类大脑的两个组织轴。研究人员表示，大脑的每个区域都有自己特定的位置，如今他们发现大脑区域的基因组成主要沿着这两条轴，从后到前，从下到上，并且这些轴主要是由遗传和进化形成的。

这也在一定程度上解释了一个进化难题——为什么人类与黑猩猩等灵长类动物的基因序列相似度如此之高，但在智力水平上却是天差地别。进化和遗传以意想不到的方式不断塑造人类的大脑，让人类拥有强大的智慧！

【参考文献】

[1] Sharpee TO, Destexhe A, Kawato M, et al. 25th Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS-2016. BMC Neurosci. 2016;17 Suppl 1(Suppl 1):54. Published 2016 Aug 18. doi:10.1186/s12868-016-0283-6

[2] University of Sussex. "What happens in the sensory cortex when learning and recognizing patterns." ScienceDaily. ScienceDaily, 12 November 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201112112838.htm>.

[3] Valk, Sofie L et al. “Shaping brain structure: Genetic and phylogenetic axes of macroscale organization of cortical thickness.” Science advances vol. 6,39 eabb3417. 25 Sep. 2020, doi:10.1126/sciadv.abb3417

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