Nature：揭示大脑优先处理意外事件背后的新型分子机制

大脑像一台预测机，用它对世界的理解来猜测我们的感受和行为会带来什么结果。近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Cooperative thalamocortical circuit mechanism for sensory prediction errors”的研究报告中，来自英国伦敦大学等的科学家们揭示了大脑中两个关键区域——新皮层和丘脑——如何协同工作来识别动物对外界环境的期望与实际体验之间的差异。这些差异被称为预测误差，它们可以通过强化意外感官信息的方式来体现。这项发现不仅加深了我们对大脑预测处理机制的理解，还有望为自闭症谱系障碍（ASD）和精神分裂症谱系障碍（SSD）中大脑回路改变的原因提供新的线索。

是不是很难懂？这里用一个简单的例子来解释一下什么是预测误差，例如，当你伸手去摸家中的小猫时，你期望它会像往常一样享受抚摸并发出呼噜声。但是这一次，猫咪可能因为心情不好或者感到不舒服，反而躲开了你的手或者甚至咬了你一口。这个意料之外的行为就是实际体验与你的期望之间的差异，也就是所谓的预测误差。

在本研究中，研究团队利用虚拟现实环境来研究小鼠的大脑活动，以更好地理解预测误差信号及其形成机制。Sonja Hofer教授解释说，我们的大脑持续不断地预测外界的变化和自身行为的结果，当这些预测被证明是错误时，不同的大脑区域会被强烈激活。这类预测误差对于学习如何纠正错误和更新预测至关重要。尽管预测误差的重要性显而易见，但对其背后的神经回路机制却知之甚少。

揭示大脑优先处理意外事件背后的新型分子机制

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07851-w

为了探究大脑如何处理预期与意外事件，研究者们创建了一个虚拟现实环境，让小鼠在里面跑动寻找食物作为奖励。通过引入意外的视觉刺激，并使用双光子钙成像技术记录初级视觉皮层的神经活动，科学家们得以观察到大脑对未预料到的信息的反应。

研究者Shohei Furutachi提到，尽管先前的理论认为预测误差信号会编码实际与预期不符的情况，但他们没有找到直接的证据。相反，他们发现大脑会加强那些对意外画面反应最强烈的神经元的活动。

研究中观察到的预测误差信号实际上是通过选择性放大视觉信息来实现的，这意味着大脑能够识别预测与实际输入间的差异，从而使意外事件更为突出。为了了解大脑如何在视觉皮层中放大这种意外的感觉输入，研究者们使用了光遗传学技术来操控特定神经元群。他们发现，有两种类型的神经元在这个过程中起到了关键的作用：新皮层V1区域中表达血管活性肠肽（VIP）的抑制性中间神经元，以及丘脑枕区（pulvinar）区域的特定神经元。

这两种神经元就像是团队里的合作伙伴，一种像是开关，另一种则根据开关的状态来增强或减弱大脑对意外信息的反应。具体而言，VIP神经元充当开关的角色，当关闭时，丘脑枕区抑制新皮层活动，而当打开时，则显著并选择性地增强新皮层的感觉反应。两种路径的互动介导了视觉皮层中的感觉预测误差信号。

总结来说，这项研究表明，当大脑发现事情不像它预想的那样时，它会通过增强意外信息的方式让这些信息变得更重要，这样我们就能更快地注意到并学会处理这些意外情况。这项研究不仅帮助我们理解大脑是如何工作的，还可能助力更好地理解并治疗像自闭症和精神分裂症这样的疾病。

参考文献：

Shohei Furutachi,Alexis D. Franklin,Andreea M. Aldea, et al. Cooperative thalamocortical circuit mechanism for sensory prediction errors, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07851-w.