麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家开展了一项新研究，揭示了大脑在整个决策过程中如何编码信息，从而将各种选项清晰地保持在心中，并确保已选和未选的选项都能被记住。
研究人员在《iScience》期刊上指出，关键在于大脑会召集神经元集群，产生协调一致的电活动模式，从而在考虑阶段和选择完成后都能清晰地表征和区分各个选项。
该研究的资深作者、麻省理工学院脑与认知科学系皮考尔教授厄尔·K·米勒说：“这种机制能让不同的神经元集群、不同的思维彼此保持独立，防止它们相互干扰。”
论文第一作者、米勒实验室的研究生李慧迪表示，研究结果展示了大脑如何动态应对决策带来的挑战。
李慧迪说：“大脑并非静态地保存信息。在整个决策过程中，大脑会灵活地重新组织信息表征方式，以满足不断变化的任务需求。”
破译决策过程
为了开展这项研究，李慧迪、米勒和团队训练了两只实验动物玩一个游戏：它们需要根据屏幕上两个目标被赋予的奖励值高低，注视其中一个目标的方向。值得注意的是，两个选项及其对应的价值是按顺序依次呈现的——先出现第一个目标，再显示其价值，然后出现第二个目标，再显示其价值。这样一来，大脑必须同时处理每个目标的多重表征——例如，决策前的呈现顺序，以及决策后是否被选中的状态。与此同时，每次动物进行游戏时，研究人员都会记录外侧前额叶皮层中数百个神经元的电活动，这一脑区表层区域以在决策过程中连接选项、价值与行动方面发挥关键作用而闻名。
研究人员使用“解码分类器”算法来解析这些电活动模式，发现神经元以功能性集群的形式运作，其集体活动能清晰地指示与决策相关的信息，包括不同的目标方向及其对应的赋值。为了解读和比较各个集群的活动模式，研究人员将这些“子空间”以几何方式可视化为三维图中的平面。
研究人员的核心发现是：在赋值和决策做出之前，神经元集群的活动模式会持续依据目标的呈现顺序来表征选项。例如，在图表中，每个“目标1”对应的平面彼此之间保持良好的平行关系。同样地，每个“目标2”的平面也彼此平行，但“目标2”组与“目标1”组之间则呈现出更多的正交（即更接近垂直）关系，这表明两组目标被表征为完全不同的对象。
而在决策完成后，新的神经元集群会提供新的表征方式。此时，无论最初呈现顺序是第一还是第二，“已选中”的选项都呈现出平行的表征关系。同样地，未被选中的目标彼此之间也呈现平行关系，但与已选中的目标则呈正交关系。
让神经元排好队
换句话说，在决策之前，大脑会召集神经元集群，按呈现顺序来区分各个目标；而在决策之后，大脑则会重新召集集群，按是否被选中来对目标进行分类。李慧迪和米勒写道，这种对已选选项保持一致表征的方式，可能有助于决策过程，因为它实际上是在为下游负责将决策转化为行动的神经回路“打包”信息（在本实验中，即指引动物的视线转向所选目标的方向）。
论文作者写道：“已观察到的已选目标表征之间的对齐关系，可能使下游脑区仅凭单一解码器就能读取出所选目标的位置，而无需考虑其最初的呈现顺序。”
值得注意的是，研究人员还发现，在游戏的每一轮中，单个神经元往往会被招募进入不同的集群。某个神经元在这一轮似乎对“选项2”表现出“选择性”，到了下一轮却可能转而对“选项1”产生选择性。因此，这些神经元集群并非由专门神经元构成的固定回路，而是在多功能神经元之间根据需要临时组建而成。
在其他研究中，米勒发现大脑正是利用脑电波来快速灵活地完成这种集群招募的目标。
米勒表示，数据还清楚地表明，无论某个选项是否被选中，大脑都会为其保留独立的记忆。这一点对于后续的“功劳分配”、进而促进学习可能十分重要。例如，记住在第三轮选择“目标2”获得了奖励这一事实。
论文作者写道：“我们的研究结果揭示了在经济决策中，支持选项维持与选择的动态子空间重组机制。”
除李慧迪和米勒外，该论文的其他作者还包括尼古拉斯·克里桑西迪斯、斯科特·布林卡特和约纳斯·罗斯。
这项研究得到了美国海军研究办公室、美国陆军研究办公室、自由同行基金会以及美国国立卫生研究院的支持。
Q&A
Q1：这项关于大脑决策机制的研究是如何进行的？
A：研究人员训练两只实验动物玩一个游戏，让它们根据屏幕上两个目标被依次赋予的奖励价值高低来选择注视方向，同时用算法记录并解析外侧前额叶皮层中数百个神经元的电活动模式，从而分析大脑如何表征和区分各个选项。
Q2：大脑是如何区分已选择和未选择的选项的？
A：研究发现，决策前大脑按目标呈现的先后顺序来区分选项，决策后则重新组织神经元集群，按是否被选中来对选项进行分类，已选选项之间的表征模式保持平行关系，而与未选选项的表征则呈正交关系。
Q3：负责这种选项区分功能的神经元集群是固定不变的吗？
A：不是。研究发现这些神经元集群并非专门神经元组成的固定电路，而是由多功能神经元根据当前任务需求临时组建而成，同一个神经元在不同轮次的游戏中可能被招募进入完全不同的功能集群。
