J Neurosci︱万小红课题组揭示大脑对决策不确定性的任务一般性与特异性的神经表征

撰文︱贾文斌，万小红

责编︱王思珍

认知控制是灵活决策的关键能力。即使在没有外部反馈的情况下，我们也可以通过自我监控对认知过程进行适应性调节以达成行为目标。这种自我监控与调节的能力被称为元认知能力。大量研究表明，背侧前扣带皮层（dorsal anterior cingulate cortex，dACC）的神经活动强度反映决策不确定性，启动元认知控制，具有跨任务的一般性特征[1, 2]。而参与任务调节的前额叶有任务加工相关的特异性神经表征，那么作为认知控制的中枢，dACC是否对决策不确定性神经表征上同时表征这些任务特异性信息？神经活动的空间重合性并不意味着这些神经活动共享了同样的神经表征[3]。例如物理创伤和社会拒绝引起的疼痛都会诱发dACC区域的活动增强，但是这两种心理状态其神经表征却是分离的[4]。

如果在dACC 中可以同时表征多重控制信号，每个控制信号都可以特异性地引出对相应任务的精确控制，那么这种同时编码任务一般性和特异性的控制信号在dACC是如何表征的呢？针对这个问题，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的万小红课题组在Journal of Neuroscience 杂志上发表了题为“Task-specific Neural Representations of Generalizable Metacognitive Control Signals in The Human Dorsal Anterior Cingulate Cortex” 的文章，阐述了dACC在认知控制过程中任务表征的一般性与特殊性。万小红教授为本文通讯作者，课题组已毕业博士生苏杰和贾文斌为论文共同第一作者。

本研究让被试者同时参与知觉加工任务（random-dot motion task，RDM task）、规则推理任务（Sudoku task）和记忆判断任务（memory task），并采用单变量和多变量相结合的功能核磁分析方法，考察在不同种类决策任务中，dACC神经活动是如何表征决策不确定性的任务一般性和特异性信息。三个实验的任务流程均采用本课题组开发的“think-rethink”元认知加工实验范式（图1 A）。

图1 实验范式及行为结果。

（图源：Su J, Jia W, Wan X. J Neurosci. 2021）

行为学结果：实验结果表明，被试者在三个决策任务之间，无论是决策不确定性本身还是以决策不确定性和决策正确与否计算的元认知敏感性指数（behavioral_AUC）均呈现出很大的一致性（图1 B, C），但是对于元认知调节能力，主要为rethink过程中正确率和决策不确定性的改变（图1 D），被试者在三个任务上表现却体现出不同。这些行为学结果表明被试者在对决策不确定性的元认知监控能力上表现出跨不同种类决策任务的一致性，而在元认知调节能力上表现出任务间的特异性。

功能核磁共振成像数据单变量分析结果：通过对功能核磁共振成像数据的单变量分析发现，大脑的dACC区域都一致地表征了这三个任务的决策不确定性，并且神经活动的元认知敏感度与行为的元认知敏感度高度一致（图2）。因此，可以确认dACC对决策不确定性的神经表征具有跨任务的一般性。

图2 dACC表征决策不确定性。

（图源：Su J, Jia W, Wan X. J Neurosci. 2021）

功能核磁共振成像数据多变量分析结果：为了考察dACC对决策不确定性的任务特异性神经表征，研究者通过功能核磁共振成像数据多变量分析发现，dACC的神经激活能够同时解码决策不确定性的强度（intensity）和任务特征（identity）。进一步通过对dACC神经表征的相关成分信息的控出，确认了dACC的神经激活强度信息表征决策不确定性的强度（intensity），而dACC的神经激活模态信息表征决策不确定性的任务特征（identity）。因此，作为认知控制信号的决策不确定性信息在dACC上通过高维神经信号对任务特征和强度信息同时进行表征（图3）。

图3 dACC对决策不确定性的任务一般性的强度信息与任务特异性信息的高维神经表征。

（图源：Su J, Jia W, Wan X. J Neurosci. 2021）

行为学验证实验结果：为了验证以上研究发现的dACC对不同种类决策任务的决策不确定性的强度和任务特征的神经表征特性，研究者进一步设计了一个验证行为实验。该实验流程为，在主实验Sudoku任务中，插入不相关的RDM任务（图4 A）。由于dACC所表征的决策不确定性所引起的活动强度在不同任务之间具有一致性，因此，我们预测，无相关任务（RDM）的决策不确定性表征会选择性地影响主任务的元认知行为，即影响对决策不确定性的强度信息（自信度的变化），而不影响具有任务特异性的元认知调节（如正确率及反应时的变化）。实验结果很好地验证了研究假设（图4 B）。同时，研究发现，这种影响的大小（RDM task不同难度条件下Sudoku task自信度的改变）会受到被试元认知能力高低的影响，元认知能力越高，受到的干扰越小（图4 C）。

图4 Sudoku任务和RDM任务的混合实验流程及决策不确定性在不同任务之间的传导

（图源：Su J, Jia W, Wan X. J Neurosci. 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，在本研究中，通过多体素分析方法对dACC在三个不同种类决策任务中决策不确定性的神经表征的分析，揭示了决策不确定性在dACC对决策不确定性的高维神经表征形式，既有对跨任务元认知控制强度信息，也有与元认知控制有关的任务特异信息，从而使得dACC能够提供精准有效的认知控制。也正因如此，才能使得我们在纷繁复杂的多任务情况下能够从容自如的灵活切换，达成目标并适应环境。同时，该实验也揭示了不同任务之间存在着决策不确定性的干扰效应（即不确定性泄漏）。因此，在实际决策任务中，人们应该要有意识地去抑制或抵消由于时间上紧邻、无相关任务不确定性带来的干扰导致影响我们正在完成的决策，这是一个非常值得研究的问题。另外，本研究只是发现在dACC同时表征认知控制的强度信息和任务特异性信息，参与元认知调节的前额叶的任务特异性信息是通过dACC传导，还是通过其他神经通路传导，目前还不太清楚。对这些问题的进一步研究将加深我们对元认知神经机制的理解。

原文链接：https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1283-21.2021

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的万小红教授为本文通讯作者，课题组已毕业博士生苏杰和贾文斌为论文共同第一作者。该研究受到科技部重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2016YFE029100）、国家自然科学基金项目(No. 31471068)和中央高校基本科研专项资金(2017EYT33)的支持。

万小红  教授

（照片提供自万小红课题组）

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【1】Qiu, L., Su, J., Ni, Y., Bai, Y., Zhang, X., Li, X., and Wan, X. (2018) The neural system of metacognition accompanying decision-making in the prefrontal cortex. PLOS Biology 16, e2004037.

【2】Shenhav, A., Botvinick, M.M., and Cohen, J.D. (2013) The expected value of control: an integrative theory of anterior cingulate cortex function. Neuron 79, 217–240.

【3】Kragel, P.A., Kano, M. Van Oudenhove, L. Ly, H.G., Dupont, P. et al. (2018) Generalizable representations of pain, cognitive control, and negative emotion in medial frontal cortex. Nature Neurosci. 21, 283–289. 

【4】Woo, C.-W., Koban, L., Kross, E., Lindquist, M.A., Banich, M.T., Ruzic, L., Andrews-Hanna, J.R., Wager, T.D. (2014) Separate neural representations for physical pain and social rejection. Nat. Commun. 5, 5380. 

制版︱王思珍

本文完