来自数千个神经元的记录揭示了人的大脑如何抽象地表现推理行为。
当行人推断出不同城市的不同交通规则时，他们大脑会体现出这种推理的不同抽象表征。图源：哥大扎克曼研究所
研究人员通过分析癫痫患者的神经元，确定了大脑在推理过程中如何形成认知图。海马体传统上与物理空间映射有关，也构成了认知过程。这项研究强调了体验式和语言学习如何影响神经表征，为潜在的神经治疗提供了见解。
揭示推理的神经机制大脑需要推断世界上任何两件事物之间的关系，无论是恶劣天气与通勤延误之间的关系，还是环境条件如何导致物种进化。一项基于人类大脑记录的新研究产生了开创性的数据宝库，研究人员现在利用这些数据比以往更清晰地揭示了推理的神经化身。
“我们开始了解大脑如何学习以及我们如何从经验中提取知识。”该研究的共同通讯作者，雪松西奈医学中心的神经科学、神经外科和生物医学教授 Ueli Rutishauser 博士说。
该研究是美国国立卫生研究院“通过推进创新神经技术进行脑研究计划”（BRAIN 计划）资助的多机构联合研究的一部分，研究成果于 月 14 日在《自然》杂志上在线发表。
推理任务期间的神经记录研究人员对 17 名患有癫痫的志愿者的 3,000 多个神经元进行了电记录，这些志愿者在医院接受了侵入性监测，以确定他们的癫痫发作源，研究人员积累了一个“独特的数据集，让我们首次能够监测大脑细胞如何表现对推理至关重要的学习过程”，哥伦比亚大学扎克曼心智脑行为研究所的首席研究员、该论文的另一位共同通讯作者 Stefano Fusi 博士说。
当研究人员记录神经元时，科学家们用一个简单的推理任务挑战参与者。在这个任务中，受试者通过反复试验发现图像（如汽车或水果的图片）与左键或右键按下之间的正确、有金钱奖励的关联。一旦参与者学会了一组图像的这些关联，研究人员就会旋转并切换哪个按钮是每个图像的正确关联。
学习和推理过程中的认知转变最初，志愿者做出了错误的选择，因为他们没有意识到之前学到的联想已经发生了变化。然而，这些错误使志愿者能够快速推断出新的图像按钮规则已经生效，并且他们可以进一步推断出所有新的图像按钮规则都已改变，甚至包括那些他们尚未经历过的规则。科学家将这项实验任务比作现实生活中的推断，例如海外旅行者经常需要做的推断。
心理状态转变的神经表征“如果你既住在纽约，又住在伦敦，而且你乘飞机去英国，你就知道过马路时必须向右看。你已经切换到一种不同的心理状态，这代表了你在伦敦生活时学到的交通规则。”Fusi 博士指出，他也是哥伦比亚大学瓦杰洛斯内外科医学院的神经科学教授，也是哥伦比亚大学理论神经科学中心的成员。
“即使你去英国从未去过的地方，比如威尔士的乡村，你也会推断新规则仍然适用，”Fusi 博士补充道：“过马路时，你仍然必须向右看，而不是向左看。”
“这项研究阐明了概念知识的神经基础，这对于推理、推断、计划甚至调节情绪至关重要。”《自然》杂志论文的合著者、扎克曼研究所首席研究员、哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院精神病学和神经科学教授 Daniel Salzman 医学博士说。
大脑活动中的高维几何形状但是，这些思维在神经元活动中是如何物理表达的呢？研究人员利用 Fusi 博士精心设计的数学工具整合了数千个神经元的记录，将志愿者的大脑活动重新转化为几何表示——也就是形状——尽管这些形状占据了数千个维度，而不是我们通常看到的熟悉的三维空间。
“这些是高维几何形状，我们无法想象，也无法在计算机显示器上看到，”Fusi 博士说道：“但我们可以使用数学技术，以 3D 形式看到这些形状的简化版本。”
当研究人员比较受试者推理成功和推理不成功时的大脑活动形状时，发现了明显的差异。
“在学习过程中，在某些神经元群体中，我们看到了从无序表征到这些美丽的几何结构的转变，这与推理能力相关。”Fusi 博士说。
将海马体活动与认知映射联系起来此外，研究人员仅在海马体记录中观察到这些结构，而没有在科学家监测的其他大脑区域（如杏仁核和额叶皮质区域）中观察到。研究人员表示，这是一个令人惊讶的发现，因为海马体长期以来一直被视为大脑中体现物理空间神经地图的场所。新发现表明，它还可以构建与推理和学习等大脑功能相关的认知地图。
言语指导对神经表征的影响Rutishauser 博士说，这项研究的另一个令人震惊的结果是，那些只通过口头指导而不是通过反复试验来学习图像和按钮之间联想规则的志愿者，尽管如此，他们仍然会在海马体中形成同样“结构精美的神经表征”。这是一个重要的观察结果，因为虽然人类经常通过口头交流相互学习，但人们对口头信息如何改变神经表征知之甚少。
“口头指导是我们建立从未真正经历过的事物知识的方式，”Rutishauser 博士补充道：“我们的工作现在表明，口头指导产生的结构化神经表征与体验式学习产生的结构化神经表征非常相似。”
癫痫患者在脑研究中的重要性研究人员强调，如果没有患有耐药性癫痫且在手术后住院的患者的合作和自愿参与，这些发现都不可能实现。用于收集神经数据的电极是由患者的医生暂时植入的，其唯一目的是定位每个人癫痫发作的根源，最终目的是利用这些信息进行进一步的手术或神经调节治疗。
“这些人给了我们宝贵的机会，让我们了解所有人的大脑是如何运作的。”Rutishauser 博士说。
贡献和未来影响多伦多大学克雷姆比尔研究所和神经外科部的合作者 Taufik Valiante 博士通过招募患者参与了这项研究。研究生 Hristos Courellis 和雪松西奈医学中心和加州理工学院的博士后研究员 Juri Minxha 博士完成了这项研究的大部分数据收集和分析工作。
“这项研究为我们提供了新的见解，让我们了解大脑如何让我们灵活地学习和执行任务，并应对不断变化的条件和经历，”BRAIN 计划主任 Merav Sabri 博士说：“这些见解建立在知识体系之上，有朝一日可能会引导我们找到干预措施，治疗与记忆和决策缺陷有关的神经和精神疾病。”
来源：哥伦比亚大学
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