科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

通過一項(xiàng)大規(guī)模全球合作，國際腦實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上發(fā)布了首張完整的動(dòng)物大腦活動(dòng)圖譜，其涵蓋了小鼠在決策過程中全腦神經(jīng)活動(dòng)的精細(xì)動(dòng)態(tài)。這項(xiàng)研究標(biāo)志著神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了一次重大突破，其規(guī)模之大前所未有，覆蓋了279個(gè)腦區(qū)，占全腦體積的95%以上，記錄神經(jīng)元總數(shù)超過50萬個(gè)。這張全腦活動(dòng)圖開啟了理解大腦整體功能的新紀(jì)元。

該圖譜依托國際腦實(shí)驗(yàn)室于2017年建立的新型協(xié)作模式，由來自歐洲和美國12個(gè)頂尖實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家共同完成。這一協(xié)作模式強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)流程、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集工具和共享的數(shù)據(jù)處理管道，極大提升了研究的可重復(fù)性。團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的電極探針，在小鼠執(zhí)行視覺決策任務(wù)時(shí)同步記錄全腦神經(jīng)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，小鼠需根據(jù)屏幕上左右閃爍的光信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)輪子以獲取獎(jiǎng)勵(lì)，而在光線微弱的試驗(yàn)中，它們必須依賴以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)。

研究發(fā)現(xiàn)，與決策相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)遍布全腦，不僅出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知區(qū)域，也廣泛存在于感覺處理區(qū)。這表明大腦各區(qū)域之間存在持續(xù)而緊密的交流，而非孤立運(yùn)作。更令人驚訝的是，個(gè)體基于過往經(jīng)歷形成的預(yù)測(cè)——先驗(yàn)期望，同樣在全腦范圍內(nèi)被編碼，甚至在丘腦等早期感覺中繼區(qū)域也能檢測(cè)到。這一結(jié)果支持了“大腦是預(yù)測(cè)機(jī)器”的理論，說明期望在引導(dǎo)行為中起著核心作用，影響從感知到動(dòng)作的全過程。

這一成果不僅深化了對(duì)決策神經(jīng)機(jī)制的理解，也為研究精神分裂癥、自閉癥等與預(yù)期處理異常相關(guān)的神經(jīng)精神疾病提供了新線索。團(tuán)隊(duì)成員強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作代表了從傳統(tǒng)單點(diǎn)研究向全腦系統(tǒng)視角研究的范式轉(zhuǎn)變。

多位核心成員指出，如此大規(guī)模的項(xiàng)目單靠一個(gè)實(shí)驗(yàn)室無法完成，唯有通過全球緊密協(xié)作才得以實(shí)現(xiàn)。目前，國際腦實(shí)驗(yàn)室已公開共享其工具、數(shù)據(jù)和平臺(tái)，未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃拓展研究范圍，探索更多神經(jīng)科學(xué)問題，并歡迎全球研究者加入這一協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。

總編輯圈點(diǎn)

這是一項(xiàng)單個(gè)課題組無法完成的研究。通過全球合作，科研人員首次繪制出了小鼠全腦神經(jīng)活動(dòng)圖譜。它以極高的分辨度，觀察了小鼠大腦在做決策時(shí)279個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)。此前，對(duì)大腦的研究通常聚焦一個(gè)或幾個(gè)特定腦區(qū)，這次的完整圖譜，可以幫助人類更好地從整體上理解大腦功能。研究發(fā)現(xiàn)，大腦各個(gè)腦區(qū)一直在緊密溝通，而“先驗(yàn)期望”似乎是一個(gè)影響大腦運(yùn)作的關(guān)鍵因素。這提示我們，一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病，有可能和處理預(yù)期功能異常相關(guān)。