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杨天明组发现注意力对大脑前额叶价值编码的调控机制

发布时间:2022-10-24

  20221022日,《Nature Communications》期刊在线发表题为《奖赏显著性而非空间注意力主导眶额叶脑区的价值表征》的研究论文,该研究由澳门新威斯人网站杨天明研究组完成。该研究采用清醒猕猴电生理记录的手段,揭示了眶额叶脑区的价值编码主要受到自下而上的奖赏显著性的影响,而不受自上而下注意力的调控,为我们理解价值抉择的神经机制提供了帮助。 

  在日常生活中,抉择的过程常常伴随着注意力的转移。想象一下,当你在琳琅满目的书店里挑选一本书时,你的抉择过程可能会受到自上而下的注意力的引导,比如有意识地寻找带有某些关键词书籍。你的注意力也可能会不自觉地被位置醒目、颜色鲜艳的畅销书吸引,这种注意力通过自下而上的方式影响你的抉择。过去很多研究表明,眶额叶脑区(orbitofrontal cortex)在基于价值的抉择中发挥了关键作用。领域内普遍认为,就像视觉皮层对视觉信息的编码一样,眶额叶对价值的编码应该受到注意的调控,注意力能够将不相干的信息进行过滤,使得神经元主要编码被关注的物品的价值。然而过去的研究缺乏严格的行为学或者电生理指标来确认注意力的大小和位置,无法对这个假设进行严格的验证。 

  为了验证这个假设,杨天明研究组设计了一个注意、奖励相关的视觉检测任务。在这个任务中,屏幕上会出现两个图形。猕猴需要根据提示将注意力放在其中的一个图形上,并报告这个图形可能发生的亮度变化。并且,不同的图形代表了不同的大小的果汁奖励。猕猴如果正确地对亮度变化做出报告,计算机就会在屏幕上的两个图形中随机选取一个作为奖励给予猕猴。这种奖励方法使得猕猴关注的图形和它实际得到的奖励脱钩,便于研究者在注意与奖励之间做出区分。 

 

  1. 视觉检测任务。猕猴观看两张图片,不同的图片对应的不同的果汁奖励(0~8滴果汁)。其中的一张图片会发生亮度变化,猕猴需要检测到亮度变化后立即注视屏幕上方的黄色目标点来做出报告。研究者提前给猕猴一个提示(矩形框),框内的图形不会发生亮度变化。所以,猕猴需要把注意力集中在没有矩形框的那个图形上。 

  在这个行为范式中,猕猴需要根据提示,主动通过自上而下的方式分配注意力,来完成任务。然而,由于猕猴经过长期的学习,熟知这些图形所可能带来的奖励。奖励较大的图形对猕猴来说具有高度的奖赏显著性,能够通过自下而上的方式吸引到它们的注意力。而在猕猴进行任务的时候,自上而下的注意力有时会与自下而上的注意力发生矛盾,奖励大的图形可能不是猕猴应该关注的图形。那么,在这种情况下,猕猴的大脑是如何分配注意力的呢? 

  研究人员结合猕猴的行为以及大脑背侧前额叶神经元的活动发现,猕猴的注意力主要受到了自上而下的注意力的引导,因为这种注意力才真正与任务相关,猕猴通过提示把注意力放在合适的图形上:它们的正确率更高,反应更快。 

  然而,令人惊讶的是,对OFC神经元的记录实验结果表明,尽管有充分的证据表明猕猴的注意力位于被提示的图片刺激上,OFC神经元却主要反映了两个图形中价值较大(显著图形)的那一个,而价值较小的那一个图形(不显著图形)则几乎被OFC完全忽略了,即使是在其收到猕猴关注的情况下也是如此。自上而下的注意没有主导OFC的价值编码,相反的,自下而上的奖励显著性对OFC的价值编码起了主导作用。 

  2. OFC神经元对于价值变量的编码。运用线形回归分析,研究人员发现OFC神经元编码了两个图形中更显著图形的价值(黄线),而对不显著的图形的价值(绿线)的编码很弱。 

  这一研究打破了领域内之前对OFC价值编码的流行观点,指出OFC存在一个不受到任务和自上而下注意力影响的稳定的价值编码。这种编码可能被用于意识层面下的价值信息的处理,并可能涉及与价值相关的眼动和注意力的转换计算。 

  该研究由博士研究生张文怡和谢洋(现任临港实验室研究员)在杨天明研究员的指导下完成。该工作获得科技部、中科院以及上海市的资助。 

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