抉擇在生活中隨處可見(jiàn)，比如在水果店挑選橙子。我們挑選橙子的過(guò)程往往是一個(gè)一個(gè)拿起來(lái)，看一看，聞一聞，決定放回去或者裝進(jìn)袋子里，然后再挑下一個(gè)。在挑選的過(guò)程中，具有顏色鮮亮、香氣馥郁、大小適中等特征的橙子會(huì )通過(guò)我們的感覺(jué)系統來(lái)吸引我們的注意力，讓我們進(jìn)一步對它們進(jìn)行挑選，以決定它們的“去留”。

有趣的是雖然不同的感覺(jué)信息能夠同時(shí)被大腦并行處理，可我們的決擇過(guò)程往往只能依次進(jìn)行，是一個(gè)串行的過(guò)程。而注意在抉擇等認知過(guò)程中從并行到串行的轉化過(guò)程中所起到的作用，目前還知之甚少。

中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心楊天明研究組通過(guò)對大腦眶額葉中對價(jià)值信息的編碼的研究，對這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。3月13日，在《eLife》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《注意力能夠調節眶額皮層神經(jīng)元對外界物體的價(jià)值編碼》的研究論文。

該研究使用清醒獼猴在體電生理記錄，發(fā)現獼猴眶額皮層神經(jīng)元實(shí)時(shí)反映大腦正在關(guān)注的物體的價(jià)值。這一研究解釋了注意力和價(jià)值編碼在抉擇過(guò)程中的相互關(guān)系。

眶額皮層是大腦的高級認知中樞前額葉的一個(gè)子區，因其位置處于眼眶上方而得名。前人的研究表明，眶額皮層是大腦獎賞環(huán)路中的關(guān)鍵一環(huán)。它接受并整合視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等多重感覺(jué)信息的輸入，能夠編碼物體的價(jià)值，在抉擇過(guò)程的價(jià)值評估中起到關(guān)鍵作用。

而這項新的研究則進(jìn)一步針對眶額葉在抉擇認知過(guò)程中究竟更多地采用串行還是并行的方式、注意力是如何調控這一腦區的價(jià)值信息編碼等問(wèn)題進(jìn)行了探索。

注意力、獎勵和抉擇這些因素在正常情況下高度相關(guān)。為了把這些因素對神經(jīng)元的編碼的影響進(jìn)行區分，研究人員設計了一個(gè)精巧的實(shí)驗。在這個(gè)實(shí)驗中，獼猴只需要在顯示器上觀(guān)看一些代表不同大小的果汁獎勵的圖片。如果屏幕上只有一張圖片，獼猴只要保持眼睛注視屏幕中央，不用做任何選擇即可得到相應的獎勵。如果屏幕上同時(shí)出現兩副圖片，則由計算機隨機挑選其中的一幅作為最終的獎勵，獼猴依舊不需要做任何選擇。同時(shí)，在一些測試中，兩幅圖片中的一幅還會(huì )通過(guò)迅速轉動(dòng)來(lái)吸引獼猴的注意力，然而這種轉動(dòng)并不會(huì )改變獎勵的大小，也和計算機隨機挑選的獎勵圖片無(wú)關(guān)，對獼猴來(lái)說(shuō)并沒(méi)有任何意義。獼猴只是因為圖片突然發(fā)生旋轉而會(huì )不由自主地把注意力轉向這張圖片。通過(guò)這樣的實(shí)驗設計，注意力、獎勵和抉擇這些因素就被分開(kāi)了。

在獼猴觀(guān)看兩張圖片的時(shí)候，雖然最終獲得的獎勵可能是其中的任意一幅，但是研究人員通過(guò)測量獼猴的瞳孔反應，發(fā)現獼猴的注意力總是集中在獎勵比較大的圖片上。同時(shí)，眶額葉神經(jīng)元也與注意力保持高度一致，僅編碼了獎勵較大的圖片的價(jià)值，而忽略了另一張圖片。但是，如果在展現圖片的過(guò)程中，研究人員通過(guò)轉動(dòng)其中的一張圖片來(lái)吸引獼猴的注意力，眶額葉的神經(jīng)元則會(huì )跟隨注意力來(lái)編碼被轉動(dòng)的圖片的價(jià)值，即使這張圖片所代表的獎勵較小。研究人員發(fā)現幾乎每個(gè)編碼價(jià)值的眶額葉神經(jīng)元都呈現出這種性質(zhì)而鮮有例外。通過(guò)一個(gè)計算模型，研究人員進(jìn)一步說(shuō)明了注意力的受到圖片轉動(dòng)的影響而切換的可能性與兩張圖片的價(jià)值相關(guān)。如果獼猴原先注意力所在的圖片代表很大的獎勵，注意力切換到其他圖片的可能性會(huì )比較小。這就像我們在閱讀一本非常有趣的書(shū)的時(shí)候就不容易受到打擾一樣。如果我們讀的書(shū)乏味無(wú)趣，那么外界一點(diǎn)小動(dòng)靜就會(huì )吸引我們的注意力。

這項研究的結果表明，與大腦視覺(jué)皮層并行編碼多個(gè)物體的視覺(jué)性質(zhì)的情況不同，眶額葉神經(jīng)元僅編碼注意力所在的物體的價(jià)值。因此，大腦對價(jià)值信息的處理，在眶額葉皮層已經(jīng)轉化為一個(gè)串行的過(guò)程。由于神經(jīng)科學(xué)家們普遍認為眶額葉編碼的價(jià)值信息被前額葉更高級的腦區運用來(lái)進(jìn)行價(jià)值判斷和抉擇，這項研究很可能意味著(zhù)大腦的價(jià)值抉擇過(guò)程是一個(gè)串行過(guò)程。而眶額葉也有別于較低級的感覺(jué)皮層，位于大腦信息處理的較高層次，其神經(jīng)元的活動(dòng)反映了我們的抉擇和認知的過(guò)程。

圖注：（A）獼猴在同時(shí)觀(guān)看兩張圖片的時(shí)候，獼猴的注意力集中在關(guān)聯(lián)較大獎勵的圖片，而眶額皮層神經(jīng)元電活動(dòng)也僅僅編碼價(jià)值較大圖形的價(jià)值。（B）在通過(guò)轉動(dòng)圖片來(lái)吸引獼猴的注意力的時(shí)候，眶額葉神經(jīng)元的電活動(dòng)被注意力所引導，編碼了被轉動(dòng)的圖片的價(jià)值。（C）計算模型很好解釋了注意力的切換與圖片價(jià)值之間的相互關(guān)系。圖中虛線(xiàn)為當圖形轉動(dòng)時(shí)由于注意力轉換而引起的神經(jīng)元發(fā)放的變化。其中綠色虛線(xiàn)為計算模型的預測，紅色虛線(xiàn)為實(shí)際數據。詳見(jiàn)Xie,Nie,andYang,2018.

該研究在楊天明研究員的指導下，由博士生謝洋和聶車(chē)暢完成。該課題獲得了中科院百人計劃、上海市科委科研計劃項目（15JC1400104）的支持。

研究表明，小神經(jīng)膠質(zhì)細胞（中樞神經(jīng)系統的免疫細胞）能夠“記憶”炎癥。這種“記憶”會(huì )影響細胞對新的刺激源的反應，以及細胞處理大腦中阿爾茲海默癥有毒斑塊的方式。

小神經(jīng)膠質(zhì)細胞有時(shí)被稱(chēng)作“清道夫”細胞，它是中樞神經(jīng)系統的主要免疫細胞。作為大腦免疫系統的關(guān)鍵角色，小神經(jīng)膠質(zhì)細胞被分配到感染或受傷位置，以對抗有毒物質(zhì)或病原體，并清理無(wú)用細胞。

然而，這些細胞也在某些神經(jīng)退行性疾病中起到負面作用，比如阿爾茲海默癥、帕金森癥、缺血性卒中和創(chuàng )傷性腦損傷等。

比如，最近的一項研究表明，當小神經(jīng)膠質(zhì)細胞過(guò)度反應時(shí)，它們會(huì )在吞噬有毒斑塊的同時(shí)吞噬神經(jīng)突觸，而這很可能導致阿爾茲海默癥中的神經(jīng)變性。

此外，小神經(jīng)膠質(zhì)細胞會(huì )存活很久，其中一些細胞甚至會(huì )存活超過(guò)二十年。

德國神經(jīng)退行性疾病中心的實(shí)驗神經(jīng)免疫學(xué)專(zhuān)家JonasNeher指出：“還有研究表明，一生中曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)的感染性疾病和炎癥會(huì )對阿爾茲海默癥的嚴重程度產(chǎn)生影響。”

總之，這些觀(guān)察結果使Neher開(kāi)始懷疑，長(cháng)期存活的小神經(jīng)膠質(zhì)細胞的免疫記憶是否與阿爾茲海默癥的風(fēng)險有關(guān)。為了解答這個(gè)問(wèn)題，研究團隊對小鼠體內腦細胞的免疫反應進(jìn)行了測試。研究結果發(fā)表在近日的《Nature》上。

“經(jīng)過(guò)訓練的”與“有耐受性的”的免疫細胞

Neher和同事們多次在小鼠身上引發(fā)炎癥，并研究了炎癥對小神經(jīng)膠質(zhì)細胞的影響。他們使小鼠大腦中的清道夫細胞產(chǎn)生了兩種不同的狀態(tài)，即“經(jīng)過(guò)訓練的”和“有耐受性的”。

比如，研究人員使用的第一次炎癥刺激“訓練”免疫細胞，使其能夠針對第二次炎癥刺激產(chǎn)生更強的反應。但是，在第四次刺激時(shí)，這些細胞就炎癥具有耐受性了，幾乎不再反應。

因此，很明顯小神經(jīng)膠質(zhì)細胞對過(guò)去的炎癥擁有記憶。

之后，研究人員想弄清楚，這種記憶在小神經(jīng)膠質(zhì)細胞對大腦中淀粉樣斑塊的積聚如何反應，淀粉樣斑塊是阿爾茲海默癥的主要特征。所以他們測試了擁有阿爾茲海默癥病理學(xué)癥狀小鼠的小神經(jīng)膠質(zhì)細胞的活性。

Neher和研究小組發(fā)現長(cháng)期培養的免疫細胞會(huì )加劇病情。在第一炎癥刺激后的數個(gè)月中，小神經(jīng)膠質(zhì)細胞會(huì )促進(jìn)有毒斑塊的生成。另一方面，具有耐受性的小神經(jīng)膠質(zhì)細胞則減少了斑塊形成。

研究人員解釋說(shuō)：“我們的研究結果確定，大腦中的免疫記憶是神經(jīng)病理學(xué)的重要修飾因子。”

炎癥或對大腦重編程

此外，研究人員想弄清楚這種免疫記憶是否會(huì )留下表觀(guān)遺傳痕跡，也就是說(shuō)，這些炎癥記憶是否會(huì )對細胞的DNA產(chǎn)生化學(xué)改變。

DNA分析表明，在第一次炎癥刺激之后的數個(gè)月，“經(jīng)過(guò)訓練的”免疫細胞和“有耐受性的”免疫細胞都發(fā)生了表觀(guān)遺傳變化——激活或關(guān)閉某些基因。

這些表觀(guān)遺傳變化能夠影響小神經(jīng)膠質(zhì)細胞清理大腦中有毒斑塊的能力。

Neher推測：“對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)也存在這種可能，發(fā)生在大腦外部的炎癥疾病可能會(huì )引起大腦內部的表觀(guān)遺傳重編程。”

如果這是真的，就能夠解釋為什么炎癥疾病（比如關(guān)節炎和糖尿病，后者也會(huì )導致炎癥）會(huì )增加阿爾茲海默癥風(fēng)險。

接下來(lái)，研究人員計劃研究人類(lèi)的小神經(jīng)膠質(zhì)細胞是否也能夠通過(guò)相同的方式被改變。如果可以的話(huà)，這項發(fā)現可能為新型治療方法打開(kāi)了一扇大門(mén)。