脑中噪音藏真意

在包括视觉皮层在内的感觉脑区中，占据主导地位的信号居然是运动信号。这让科学家重新审视研究感知系统的范式。

JORDANA CEPELEWICZ

封面：Lenka Šimečková

NEUROSCIENCE  神经科学

每时每刻，神经元的低语、尖叫、啸声和歌唱使大脑充满了令人晕眩的“声音”。然而，许多声音似乎并非言之有物。它们表现得像噪音的回声，不像有内容的信号。它们像是空气中的干扰，而不是有意义的对话。

早在60年前，科学家得以记录单神经元活动时，他们就知道了大脑活动非常多变。同一神经元对同种刺激的反应在试次之间以近乎随机的方式波动。这种试次间的随机波动被称为“变化性”。即使在完全没有刺激的情况下，“你也会记录到自发的神经活动，仿佛神经活动有自己的心智一样”， 俄勒冈大学的神经科学家戴维·麦考密克（David McCormick）说。

他说，“这使人们认为，大脑要么非常嘈杂，要么在用某些高级统计量来摆脱这些噪声。”

然而最近十年，这种观点变了。显然，所谓的神经随机性和变化性不仅来自大脑混沌的神经动态，还受到行为学状态的影响。这些状态包括觉醒和压力水平等，它们似乎也能够影响感知和决策。科学家们意识到，神经噪声远比他们想的有意思。

通过前所未有的详细分析，研究人员从小鼠的行为和神经活动中获得了惊人的发现，让他们得以解释大部分神经变化性。他们发现：跨越整个大脑，即使在视觉皮层这样的低级感觉区域，神经元编码的信息，也远远不止满足它们的直接任务所需。神经元“七嘴八舌”地议论动物恰好在进行的任何行动，每一个细微的动作，哪怕是轻轻抽动胡须和摆动后腿。

这些简单的动作不仅仅参与了神经活动。它们支配了它。

这些发现改变了科学家们对大脑活动的理解，也改变了他们的研究方式。

—图片来源：Daniel Stoll

一个优雅却过时的故事

直到大约十年前，大部分神经科学实验用的都是麻醉动物。这一方法使科学家能很好地理解大脑，但也“高度扭曲地看待神经处理”, 加州大学圣地亚哥分校的神经物理学家戴维·克莱因菲尔德（David Kleinfeld）说。这种方法在视觉研究中尤其有缺陷，因为实验中的麻醉程度通常很高，足以让人们怀疑昏迷的动物主观上什么也看不见。不论如何，麻醉去除了在真实的视觉信息处理过程中可能有所影响的情景或环境。

由此得出的视觉理论是：眼睛接收的视觉信号经被动的神经滤波器处理之后，创建出越来越特异化和复杂化的对环境的表征。然后，这些视觉信息才与其他感觉和其他大脑区域的信息整合在一起。冷泉港实验室的神经科学家安妮·丘吉兰（Anne Churchland）解释道：“我们很容易认为初级感觉区域像相机一样诚实地记录世界上发生的一切，不过，尽管这样的模型看似优雅，但是大量的证据表明，它太过简化了。”

在大脑中，高级皮层区域和低级皮层区域通过反馈环相互连接沟通。经过数十年的研究，研究人员逐渐发现，大脑的每个区域都有广泛的功能，不限于它们标签的概括。对于盲人或视力受损的病人来说，他们的视觉皮层可以处理听觉和触觉信息。最近有研究发现，在运动技能的学习过程中，起到重要作用的竟然是体感皮层，而非运动皮层。而注意力、期待或动机等，也会广泛地作用于人的感知。

然而，2010年的一项研究更为新奇。近年来新开发的实验技术使得研究人员可以记录小鼠在跑步机或球上奔跑时的神经信号。加州大学旧金山分校的神经科学家迈克尔·斯特莱克（Michael Stryker）和克里斯·尼尔（Cris Niell）起初想用这项技术来研究麻醉或睡着状态下的小鼠与运动或静止的小鼠之间的视觉活动的差异。（尼尔后来到了俄勒冈大学工作。）

俄勒冈大学的神经学家克里斯·尼尔使用自制的成像系统和球形跑步机来测量小鼠跑步时的神经活动。

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图片来源：University of Oregon

但是，他们很快发现了更值得研究的差异。“我们本想研究小鼠的清醒状态与麻醉状态之间的区别，但我们惊讶地发现，同样在清醒状态下，动物是否运动也造成了许多区别。”他们发现，当小鼠跑动时，它对视觉刺激的神经响应更强烈了：神经元的放电频率加倍了。这一发现十分惊人，因为之前的研究表明，即便在需要强烈视觉注意力的行为任务中，人或猴子的神经元活动的增加也没有这么强烈。而这些在跑动时增强的神经活动会随着小鼠停止跑动而很快消退。

丘吉兰说：“这很令人惊讶，因为人们过去认为初级视觉皮层只是一个感觉区域。”

当时，斯特莱克和尼尔试图将这一发现与他们之前关于注意力和动机的工作联系起来，他们认为这一结果可能反映了小鼠的大脑在完成某些从静止状态到准备活动状态的切换。接下来的几年中，其他实验室的研究证实了广义上的觉醒水平会极大改变神经的响应。例如，在2015年，麦考密克和他的同事发现可以用小鼠在行为任务中的参与程度来预测它们的表现。同年，耶鲁大学的神经科学家杰西卡·卡丹（Jessica Cardin）和她的团队开始厘清由奔跑和觉醒引起的视觉皮层的神经活动。

然而，这些实验研究的神经元的数量和与之相关的行为变量是非常有限的。这些对大脑活动变化的研究仅仅基于小鼠是否在运动、其瞳孔是否因为兴奋而放大，也只能解释神经活动变化性的冰山一角。科学家仍然需要对于神经变化性的更完整的解释。

现在，通过采用更全面的研究动物行为和脑活动的方法，一些研究小组已经给出了答案。

在旋转的万花筒中寻找感觉

伦敦大学学院的神经科学家肯尼斯·哈里斯（Kenneth Harris）和马特奥·卡兰迪尼（ Matteo Carandini）有着不同的研究目标；他们想确定在没有视觉刺激的情况下，啮齿类动物视觉皮层的自发神经活动的结构。他们和伦敦大学学院大脑皮质实验室的同事们一口气记录了10000个小鼠神经元的活动，记录的同时小鼠处于自由活动状态：它们可以在黑暗中跑动、嗅闻、清洁自己、环顾四周、抖动胡须、竖起耳朵等等。

这些研究人员发现，即便动物看不见任何事物，它们的视觉皮层还是有广泛的神经活动，该活动还有惊人的高维度，意味着视觉皮层正在编码着大量的信息。神经元们不但在交谈，“它们还同时进行着多段对话，”曾在大脑皮质实验室担任博士后研究员 、现在弗吉尼亚州霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区工作的神经科学家马里乌斯·帕奇塔留（Marius Pachitariu）写道。

起初，科学家们并不理解这些对话。于是，他们试图用大脑活动与小鼠即时的行为之间的联系来加以解释。他们记录了每只小鼠的面部活动，逐帧地分析它们的行为变量，这些变量不仅限于跑步速度和瞳孔直径等表面的行为，也囊括了最细微的抽动。只要有可能解释神经变化性的，他们都记录了。

结果证实，这些细微的动作可以解释至少三分之一小鼠视觉皮层的活动，而这些活动从前都被归类于纯粹的噪声。这些活动差不多和真正由视觉信号引起的神经活动有相近的规模了。“我们一直把这部分大脑称为视觉皮层，” 哈里斯说，“它也确实行使着视觉功能。但是至少它的大部分神经活动与视觉并无关系。”

麦考密克说，“如果我们将一只小鼠视为一个整体，如旋转的万花筒般的大脑的整体活动马上就变得有意义了。”（他和他的实验室在即将发表的研究中也报道了相似的发现。）这些活动不仅仅反映了小鼠警觉或兴奋的整体状态，也不仅仅反映了小鼠的运动状态。视觉皮层精确地知道动物在做什么，精确到了每一个动作的细节。

— Marius Pachitariu and Carsen Stringer

事实上，类似的发现不仅限于视觉皮层。并未参与这项研究的俄勒冈大学系统神经科学家马特·斯密尔（Matt Smear）说道，“在大脑中处处如此，这些与动作有关的信号确实很明显。”这也证实了，我们看待大脑的一些直观想法很可能错了。

更惊人的是，这些编码感觉或者其他功能信息的神经元恰恰也编码着运动信号。麦考密克说，“突然我们意识到：等等——-或许大脑并不是充满噪声的。或许实际上它比我们想象的中更精确。"

去年四月份的《科学》杂志发表了大脑皮质实验室的发现，这篇论文倡导神经科学家换一种思维去解释神经信号。（尼尔指出，用功能核磁成像在人脑中观察到的变化性，或许也与微小的动作相关，并非单纯的噪声或与被试执行的任务有关。）曾在大脑皮质实验室工作、现在珍妮莉亚研究园区工作的博士后研究员卡森·斯金格（Carsen Stringer）说，“比如说，每当小鼠准备开始跑动，我们都会到观察到这些神经元的活动。我们曾经认为，‘这或许是因为小鼠在想着跑步’。但实际上，这是由小鼠在开始跑动前‘有节奏地来回摆动它的胡须’而引起的。”

不过，这些神经信号的意义为何，重要性又在哪里呢？

—图片来源：Matt Murphy

感知即行动

每个神经元都同时输送着来自多个通道的信息，乍一看，这个系统复杂到难以使用。但是大脑皮质实验室的成员发现，大脑对所有这些数据的处理远比我们想象的轻松。他们的分析表明，给予刺激，刺激信息将被叠加在背景运动信号上。在单神经元上，这些信号看起来互相夹杂而难以分辨，但是不同的神经元可能在不同的背景活动上中叠加了同样的刺激信息，这样一来，如果同时记录足够数量的神经元，视觉信息和运动信息就能被分离。

因此，运动信号并不妨害动物处理外部感觉信息。但是科学家仍然要探索，弄清楚这些信号对大脑有何益处。从本质上来说，这项发现也表明了，大脑在根本上是为了行动而演化出来的-——动物为了四处移动才有了大脑，而“感知也不仅仅是外部的输入，”斯金格说，“至少在一定程度上，行为随时调制着感知。”

感觉信息代表着仅仅一小部分需要被感知的环境。尼尔说：“你需要考虑动作、考虑你的身体相对于外部世界的状态，才能弄清楚环境到底是怎样的。”

“我们曾经认为，大脑先分别处理、然后以某种方式整合信息，”麦考密克说，“不过，我们开始认识到，大脑混合多感觉（multisensory）和运动信息比我们想象中的更早。”

这里有必要介绍身体的移动为何有助于整合和理解感觉信息。如果你正在奔跑，视野中的世界会快速闪过，那么视觉皮层需要知道这是由你的运动所导致的。如果你在绕着一座纪念碑走动，视觉皮层需要知道你并非看到了20个不同的雕像，而只是从20个不同的角度看到了同一个雕像。麦考密克说，“在这样的变化性中，不变性在哪里？这就是为什么我认为最近这项研究非常有趣并且非常重要，因为我们开始看到了不变性在哪里。”

尼尔说，“我们的大脑不仅仅囿于头部。脑与我们的身体和我们在世界中移动的方式互动着。你觉得，‘哦，我只是在思考，’或者，‘我只是正看到。’你不会想到，事实上你的身体也参与其中。”正因如此，小鼠可能需要提前整合运动信号（尽管我们还不知道胡须的运动如何有益于视觉）。

可能不仅如此，事实上，这样的整合可能有助于促进所谓的主动感知，即，动物主动地协调其运动，使其获得想要感觉或发现的信息。斯密尔目前在研究嗅觉：他和他的团队发现，小鼠的许多运动与它们的嗅闻节奏准确地同步着，而后者正是小鼠接受嗅觉信息的主要方式。

更有趣的是，这种协调可能有助于学习。

更重要的目的

哈里斯，斯金格和他们的同事认为，这样的感觉运动信息整合为强化学习建立了框架：如果某项特定的动作-刺激组合与一个重要的结果相关联，比如说，得到奖赏或身陷危险——这类双重神经编码可能会帮助动物遇到类似情况时预测结果，帮助他们采取相应的行动。

丘吉兰认为运动信号或许会帮助动物以更具体的方式学习。九月，丘吉兰和她实验室的博士后西蒙·穆索（Simon Musall）发表了他们的实验结果：在这项实验中，小鼠需要通过握住手柄来开始一个试次，然后通过向一侧或另一侧舔舐来表示它们的决策。尽管小鼠专注于实验中的任务，它们大脑仍旧出现了持续的、由与任务无关的微小动作引起的神经活动。丘吉兰说：“我们发现的大部分脑活动都与决策过程无关，而是反映了动物当时的运动。”

对老鼠的大脑扫描

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图片来源：Anne Churchland

尼尔没有参加这项研究，但他说：“非常惊人的是，即便动物在执行某项我们认为纯粹涉及视觉的任务时，大部分大脑信号是这些与不相关动作有关的神经活动。”

丘吉兰和她的团队还发现，当每只小鼠被训练时，它们的动作也与当前的任务相联系。比如说，小鼠的胡须的运动起初是随机的，但随着任务的学习，小鼠会在特定的时间抖动胡须，例如在看到刺激或收到奖赏时。尽管胡须的运动与奖赏或与任务训练毫无干系。

丘吉兰推测动物或许用这类信号来帮助它们做出决定，“对它们来说，这可能是决策过程的一部分”，她说，“或许对动物来说，和人类一样，要思考和决策的一部分含义就是要移动。”她把它比作棒球运动员准备击球时会采用的仪式。“它让我思考，是否这些细微的动作有着更重要的目的。”

丘吉兰说：“人们倾向于认为运动是与认知分离的，甚至觉得运动会干扰认知。通过这项研究，我们认为，或许是时候从另一个角度思考了，至少对于一些实验受试者来说，运动确实是认知的一部分。”

当然，目前这些“受试者”主要还是大鼠和小鼠这样的啮齿类。科学家们在做其他的实验，来检验类似的信息整合是否同样普遍地存在于包括人类在内的灵长类之中。

但不管怎么说，研究人员一致认为，这项发现预示着研究感知的实验方式将发生转变，也就是说，研究人员也要开始更多地关注实验中的行为了。

对控制的放弃

直到最近，神经科学家们都采用了还原论的方法。我们关于神经活动的大部分理解首先来自于麻醉动物，随后来自于运动受限的动物。这些实验本身也是受限的。尼尔称之为“视力测验”模型，他说，“当你去验光时，你坐在那里说：水平方向，竖直方向，看得更清楚了，看不清楚了，E，A，T，”但是这样抽象的练习可能无法代表我们在生活中常做的事情。“我们的大脑并不是进化为我们只需坐在那里一动不动、被动地观看事物。”

即便在哈里斯和丘吉兰团队的新研究中，为了方便记录脑信号，小鼠的头部还是被固定而保持静止的。“如果在动物不能移动头部的情况下，大脑仍是被运动信号主导的，那当动物完全可以自由移动时，神经活动又会是什么样子呢？”斯密尔评论道。

科学家现在正提倡用其他的途径来研究自发的、未经训练的动物行为。当然，随之而来的还有其他挑战：例如，当实验受到更少控制时，其中的因果关系也更难确定。

即便如此，尼尔已经开始研究运用视觉捕食蟋蟀的小鼠。他说，“这是小鼠大脑硬编程的行为，也是一项需要运动的任务，因此小鼠要在其中整合运动与视觉。”他和同事们现在已经发现，某些之前发现的神经元在这样的捕食行为中又起到准确的行为学功能。

尼尔说：“当动物可以做它们通常所做的事情，而不是让它们非被训练得像小小人类一样的时候，那些我们曾认为怪异或不正常的信号可能会开始变得有意义。”

我们过去对脑的认识非常有限。也不能说我们现在的观点无懈可击，不过…我们有了更丰富的、有待发展的观点。”

翻译：Soda

校对：顾金涛

排版：茅亚涵

https://www.quantamagazine.org/noise-in-the-brains-vision-areas-encodes-body-movements-20191107/

Jordana Cepelewicz

《量子》杂志的生物学撰稿人，同时给《鹦鹉螺》和《科学美国人》提供数学、神经科学及其他学科方面的文章。

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