Nature：对脑细胞如何体现思维进行了最清晰的观察

要推断世界上任何两件事之间的关系都需要大脑，无论是恶劣天气导致通勤延误的方式，还是环境条件导致物种进化的方式。一项基于人类大脑记录的新研究产生了一批开创性的数据，研究人员现在利用这些数据，比以往任何时候都更清晰地揭示了推理推理的神经化身。 

“我们开始了解大脑是如何学习的，以及我们如何从经验中提取知识，”该研究的共同通讯作者、雪松-西奈医学中心神经科学、神经外科和生物医学科学教授Ueli Rutishauser博士说。 

这项研究是由美国国立卫生研究院资助的多机构联盟的一部分，在线发表在《自然》杂志上。 

研究人员利用17名癫痫志愿者的3000多个神经元的电记录，得出了一个“独特的揭示数据集，让我们第一次监测到脑细胞是如何代表一个对推理推理至关重要的学习过程的”。这些志愿者在医院接受了侵入性监测，以定位癫痫发作的来源。哥伦比亚大学祖克曼心智大脑行为研究所的首席研究员、该论文的另一位共同通讯作者Stefano Fusi博士说。 

当研究人员从神经元中记录下来时，科学家们向参与者提出了一个简单的推理任务。在这项任务中，实验对象通过反复试验发现了图像(如汽车或水果的图片)与按左键或按右键之间正确的、有金钱奖励的关联。一旦参与者了解了一组图像的这些关联，研究人员就会转向，然后切换哪个按钮是每个图像的正确关联。 

最初，志愿者们做出了错误的选择，因为他们没有意识到之前学到的联想已经改变了。然而，这些错误使志愿者能够迅速推断出新的图像按钮规则已经开始起作用，他们可以进一步推断出所有新的图像按钮规则已经改变，即使是那些他们还没有经历过的规则。科学家们把这个实验任务比作现实生活中的推理，比如那些海外旅行者经常需要做的推理。 

“如果你既住在纽约，又住在伦敦，你坐飞机去英国，你就知道过马路时必须看向右边。“你已经切换到一种不同的精神状态，它代表了你在伦敦生活中学到的交通规则，”Fusi博士说。

他补充说:“即使你去了英国从未去过的地方，比如威尔士的乡村，你也会推断出新规定仍然适用于那里。”“过马路的时候还是要向右看，而不是向左看。”

“这项工作阐明了概念知识的神经基础，这对推理、推断、计划甚至调节情绪都是至关重要的。”

但是这些思维是如何在神经元的活动中表现出来的呢?使用Fusi博士精心设计的数学工具来整合来自数千个神经元的记录，研究人员将志愿者的大脑活动重新塑造成几何表征——形状，这是——尽管它们占据了数千个维度，而不是我们通常想象的熟悉的三个维度。

“这些是高维几何形状，我们无法在计算机显示器上想象或可视化，”Fusi博士说。“但我们可以利用数学技术，将它们简化成3D形式。”

当研究人员比较成功推理和失败推理的受试者的大脑活动形态时，发现了明显的差异。

“在学习过程中的某些神经元群中，我们看到了从无序表征到这些与推理能力相关的美丽几何结构的转变，”Fusi博士说。

更重要的是，研究人员只在海马体的记录中观察到这些结构，而没有在科学家监测的其他大脑区域，如杏仁核和额叶皮质区观察到这些结构。研究人员说，这是一个令人惊讶的发现，因为海马体一直被认为是大脑中体现物理空间神经地图的位置。新的发现表明，它还可以构建与推理和学习等大脑功能相关的认知地图。

 这项研究的另一个令人吃惊的结果是，那些只通过口头指令、而不是通过试错经验来学习图像和按钮之间关联规则的志愿者，仍然在海马体中形成了同样的“结构优美的神经表征”。他说，这是一个重要的观察结果，因为虽然人类经常通过语言交流相互学习，但我们对语言信息如何改变神经表征知之甚少。 

Rutishauser博士补充说:“口头指导是我们建立我们从未真正经历过的知识的方式。”“我们现在的研究表明，与经验学习的结果相比，口头指令产生的结构化神经表征非常相似。” 

研究人员强调，如果没有耐药癫痫患者的合作和自愿参与，以及手术后住院的患者，这些发现都不可能实现。收集神经数据的电极由患者的医生临时植入，其唯一目的是定位每个人癫痫发作的来源，最终目标是利用这些信息进行进一步的手术或基于神经调节的治疗。 

“这些人给了我们宝贵的机会，让我们了解大脑是如何工作的”。 

合作者多伦多大学克雷姆比尔研究所和神经外科的陶菲克·瓦利安特博士通过招募患者为这项研究做出了贡献。雪松西奈医学中心和加州理工学院的研究生Hristos Courellis和博士后研究员Juri Minxha博士进行了这项研究的大部分数据收集和分析。 

“大脑计划”的项目主管Merav Sabri博士说:“这项研究为我们的大脑如何让我们灵活地学习和执行任务，以及如何应对不断变化的环境和经验提供了新的见解。”“这些见解建立在知识体系的基础上，有朝一日，这些知识可能会引导我们对涉及记忆和决策缺陷的神经系统和精神疾病进行干预。”