Nat Commun｜形状和空间信息如何在前额叶皮层内传递？
撰文丨东华君（神经生物学博士，NIH博士后）
责编丨刘斐雯
排版丨Yanyan
前言
本文作者开始发表博士后期间的科研成果。该项研究已于2021年2月9日发表在《自然·通讯》（Nature Communications），题目为：Reward-related choices determine information timing and flow across macaque lateral prefrontal cortex。本文将介绍该项研究的主体内容：外侧前额叶皮层内的信息流（information flow）。
我们在前文（外侧前额叶皮层的功能组织形式）中讨论了这项研究的背景知识，以及第一部分的结果：外侧前额叶皮层（lateral prefrontal cortex, LPFC）的功能组织形式。本文中，我们将对数据进行深入分析，探讨在猕猴执行行为任务时，不同信息传递的情况。
一
实验设计思路
这项研究使用了双臂老虎机（two-armed bandit）行为学任务对猕猴进行测试。该任务能检测猕猴学习基于形状（object-based）的和基于动作（action-based）的视觉刺激的能力，是我们为了研究腹侧（ventral）和背侧（dorsal）皮层—基底神经节—丘脑—皮层神经系统而设计的[1]。
图 1.行为学任务
在这项实验中，猴子需要选择屏幕上的两张图片中的其中一张来获得果汁奖励（图 1A）。这两张图片分别对应不同的奖励概率。根据奖励概率与图片之间的关系，可分为两个任务，分别是What和Where任务。这两个任务中的每个模块（block）都包含80次测试（trial）。每个模块会包括一组不同的图片，这些模块在整个实验中会随机交替进行，并且没有任何信息（cue）提示模块的类型。在What 任务中，两张图片的形状（object；虽然是不同的feature，但是大家更常用object这个词）分别对应大的（70%）和小的（30%）奖励概率。因此，猴子需要先通过试错来确定哪张图片获得奖励的概率更高（70%），之后在每次则都会选择这张图片。在Where 任务中，奖励概率只与图片所处的位置（location）相关，而同一张图片会随机出现在不同的位置。此时，图片的外形变得不再重要。猴需要先通过试错确定哪个位置对应更高的奖励概率，之后便会坚持选择这个位置。
图 2. Utah电极植入的位置
我们在猕猴的外侧前额叶皮层埋植了8个Utah电极阵列（各有96根电极），每侧大脑半球各4个，用于记录他们在执行行为任务时的神经元活动（图2B）。在这项实验中，我们希望研究视觉空间信息和形状信息是如何在这些脑区传递的。这种信息流是抽象的概念，与我们熟知的（物质的）水流、细胞和粒子的运动不同，目前是无法通过实验的手段直接观察到的。我们需要通过构建数学模型的方式来对它们进行推测。
二
核心方法和结果
图 3. 信息迁移模型（Information transfer model）
因此，我们构建了一个信息迁移模型。这个模型是基于Granger causality analysis（可以用过去的信息预测现在的信息）而构建的（公式见图 3上方），用于预测信息在不同脑区间的传递方向。图 3显示的是这个模型预测单次测试（trial）数据的表现。首先，我们通过对电极阵列L1~L3（L表示位于左侧大脑）中所记录到的神经元活动（图 3e）进行解码（decoding），计算出它们对于不同选择（左 vs. 右 / 图A vs. 图B）的后验概率（图 3c）。然后，将这些后验概率代入模型去预测电极阵列L4选择的正确率（图 3a中的黑色虚线）。图 3a中的黄线显示的是通过电极阵列L4中的神经元活动（图 3d）计算得到的真实数据。比较两条线，可见预测效率还是挺不错的（图 3a）。
上图展示的完整模型（full model）的工作情况。当我们将某个电极阵列（比如L1）从完整模型中剔除后，再做预测所得出的是部分模型（partial model）。通过比较这两个模型的不同（DVar），并通过除以完整模型（fVar）进行标准化，我们便可以得出这个被剔除的电极阵列中的神经元活动对目标电极阵列（图 3中是L4）中神经元活动的预测能力。
图 4. 视觉空间信息和形状信息之间在外侧前额叶皮层的头-尾轴（rostral-caudal axis）流动（a-d）；f.信息流在不同任务之间是否存在显著差异，p>0.05表示没有差异。
根据以上模型，我们可以预测不同信息在我们记录的4个脑区间的传递情况。按信息流动的起始和终点电极阵列的不同总共有4×4×2=32种情况（因为信号很微弱，我们没有考虑横跨左右脑半球的信息流）。为了简化起见，我们根据起点与终点电极阵列序号的差值，将信息传递的距离和方向重新定义为-3到+3之间（图 4e）。因此，当这个数值为正值时，表明的是尾部到头部的信息流，反之则为头部到尾部的信息流。
我们首先考察了单一信息在外侧前额叶皮层内部的这些区域间的传递情况。结果表明，视觉空间信息（图 4a）在这些脑区之间表现出了微弱的从尾部到头部的信息流。而形状信息（图 4b）则没有明确的方向性，只表现出对临近的位置有较强的影响。而当我们考察这两种信息之间相互传递的情况时，发现了更为明显的信息流。结果表明，形状到空间信息的传递在从尾部到头部的轴线上呈现出递减的关系（图 4c）。这一现象在What任务中更显著，并且随着学习的进行而逐步增强（图 4f）。空间到形状信息的传递，虽然总体上要更为微弱，但从尾部到头部的传递的强度也小于相反方向的（图 4d）
三
结论
现在，让我们来结合动物的行为和前额叶神经元的活动一起思考一下。
在两种不同的任务中，猴需要使用不同的信息来决定他们的选择（choice）。但是，每当猴子根据选择做出反应（response）的时候，即用眼睛扫视到目标位置，所使用的都是空间信息。这就导致了在执行不同任务时，信息传递形式的不同：在What任务中，猴需要使用形状信息来指导在空间上进行选择，这需要发生从形状信息到空间信息的转换。然而，在Where任务中，猴需要使用空间信息来指导在空间上的选择，只需要完成空间信息内部的传递便可。因此，猴在执行这两种任务时也会采取不同的策略：在What任务中，需要先确定想要选择的图片的位置（形状信息转换为空间信息），然后再选择那个位置（图 5A）；在Where任务中，不需要信息间的转换，直接选择那个位置（图 5B）。
图 5 猕猴在执行What和Where任务时的策略及信息在外侧前额叶皮层流动的方向
这种行为策略的不同得到了不同方面数据的验证。首先，因为不需要信息间的转换，猴在执行Where任务时的反应时间（reaction time）要显著低于执行What任务时的。然后，形状到空间信息传递的强度要大于空间到形状信息的传递（图 4c, d）。这种强度的差异，是认知需求差异的反映，因为当猴做出反应时并不需要将空间信息转化成形状信息。最后，形状到空间信息的传递在What任务中的强度要强于Where任务，而猴执行What任务时正需要将形状信息转换为到空间信息；空间到形状信息不同任务之间并不存在显著差异（图 4f），表明这种信息传递可能是自主发生的（基线活动），并不是为了执行特定任务所驱动的。
因此，结合在前文（外侧前额叶皮层的功能组织形式）所提到的另一部分的结果，我们的这项研究不但很好地在介观尺度上验证了外侧前额叶皮层的功能组织形式，并且，还首次验证了前额叶皮层内信息流的存在。
图片来源
封面图、动图、图1-图5：作者制作；其中的猴子形象由Ines设计。
参/考/文/献
1. Averbeck, B.B. and E.A. Murray, Hypothalamic Interactions with Large-Scale Neural Circuits Underlying Reinforcement Learning and Motivated Behavior. Trends Neurosci, 2020. 43(9): p. 681-694.
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作者/ 东华君
东华君，神经生物学博士，NIH博士后。通过多通道胞外电生理、光纤记录技术和数学模型研究猕猴大脑高级功能的神经基础。研究方向为（强化）学习和（工作）记忆的皮层-皮层下结构的神经环路机制。科研之余喜欢撰写科普，作品多次被知名科普媒体转载。
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