新发现的大脑机制帮助我们应对意外

当大脑的预测机器出错时会发生什么？

比如说，如果你期待看到一条漂亮的远足小径，但却发现了一头巨大的灰熊，你的大脑会发生什么？

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新的研究为大脑的预测机制打开了一扇窗，展示了当意外发生时两个大脑区域如何协同工作。除了更深入地了解我们的大脑如何不断地填补空白并猜测接下来会发生什么之外，这些发现还可以真正帮助那些在感知和感觉处理方面遇到困难的人们。

第一作者 Shohei Furutachi 博士告诉 Science-News.dev：“我们的大脑具有预测机器的功能，这一事实让我深深着迷。” “它使用先验知识——神经科学家称之为存储在大脑中的‘内部模型’——来预测我们的感觉和行为的结果。 ”

但如果这些预测被证明是错误的呢？

“当预期发生的事情与实际发生的事情之间存在差异（称为预测错误）时，大脑会利用这些信息来更新内部模型，并将我们的注意力引导到意外事件上，”Furutachi 告诉我们。 

尽管这个过程无疑很重要，但人们对它知之甚少，这激发了 Furutachi 和团队开始他们的研究。

研究小组在训练老鼠连续奔跑并定期获得一杯草莓牛奶的奖励后，将它们放入虚拟现实环境中。当老鼠沿着“走廊”奔跑时，实验者能够操纵环境，在墙上引入意想不到的图像。

当小鼠在虚拟世界中慢跑时，一种称为双光子钙成像的技术被用来记录初级视觉皮层神经元的活动，初级视觉皮层是眼睛获取信息的第一站。 

他们发现，当小鼠遇到意想不到的刺激时，大脑会选择性地增强最适合该刺激的神经元的活动。这不是一个普遍的“出了问题”的信号——更像是大脑特别关注视觉环境中超出其预测的内容。

通过光遗传学（利用光激活或沉默神经元组），该团队能够将范围缩小到对这种预测误差信号至关重要的两组不同的细胞。 

历史上，这一研究领域引起了很多争论，甚至被幽默地称为“雄心勃勃的博士生的坟墓” 

“我们的研究中最引人注目的发现是新皮质和高阶丘脑之间的协同相互作用，”Furutachi 告诉 Science-News.dev。 “我们发现，当新皮质中的特定抑制性中间神经元（称为 VIP 神经元）不活跃时，丘脑皮质输入会抑制皮质活动。然而，当这些神经元活跃时，丘脑输入会增强皮质反应。 ”

“本质上，VIP 神经元充当交换机，由感觉预测错误激活，以决定丘脑输入如何与新皮质相互作用。 ”

众所周知，新皮质和丘脑紧密相连，甚至一起进化，但它们究竟如何相互作用却很难确定。 “从历史上看，这一研究领域引起了很多争论，由于其复杂性和研究结果的争议性，甚至被幽默地称为‘雄心勃勃的博士生的坟墓’，”古立告诉我们。

“我们对这种协同相互作用的发现可能会解决一些长期存在的矛盾，并提供对这些关键大脑区域如何相互作用的更清晰的理解。 ”

这项研究仅限于小鼠，但“由于我们在小鼠身上研究的神经回路在人类中是保守的，我们预计这些发现确实可以转化为人类，”Furutachi 说。 “未来的研究可以使用先进技术来证实我们的结果，这些技术使神经科学家能够利用非侵入性或微创方法在单个细胞水平上研究人类的感觉处理。 ”

此类研究对于了解影响感知的疾病和疾病（例如精神分裂症谱系障碍 (SSD)）非常重要。 

Furutachi 解释道：“由于预测误差信号的减少，SSD 可能会涉及到不正确的内部世界模型，从而导致即使在没有感官输入的情况下也会出现不正确的感官知觉——幻觉。”

相反，在自闭症患者中，错误信号的差异可以解释许多人经历的感觉过敏：“过于精确的预测或无法正确更新预测可能会导致过多的预测错误信号，从而对感觉刺激过敏，从而很难忽视不相关的信息。”细节。 ”

Furutachi 和团队现在计划研究这些预测误差信号的两个关键组成部分：大脑首先如何做出预测，以及如何计算误差。 

“通过揭示这些潜在机制，”Furutachi 告诉 Science-News.dev，“我们的目标是提供对我们如何有效感知世界的基本理解。 ”

该研究发表在《自然》杂志上。