脑机启侦｜大脑如何利用情境进行决策和学习（12.16）

图片来源：Current Biology

生活中充满了各种需要我们做出选择的情境。幸运的是，我们拥有眶额皮层（orbitofrontal cortex, OFC）和海马体（hippocampus）来帮助我们应对那些意义随情境变化而变化的任务。加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）的研究人员发现，这两个大脑区域协同工作，使我们能够在面对模糊性时作出更灵活、更适合当前情境的反应。

研究介绍

“我认为这是认知的基础。”UCSB神经科学家Ron Keiflin说道，“这让我们不像简单的机器人那样，对每个刺激都以相同的方式回应。理解某些刺激的意义取决于情境，这给了我们灵活性，使我们能够根据情况适当地行动。”

例如，当你的手机铃声响起时，你是否会接听取决于你在哪儿、正在做什么、时间是几点、可能是谁打来的等多重因素。Keiflin解释说：“这是一个单一的刺激，但根据背景情况的不同，它会被不同地处理，你也可能会以不同的方式回应。”

这项发表在《当代生物学》（Current Biology）杂志上的研究，首次因果性地测试了眶额皮层和海马体在这类情境消解过程中的相对贡献。

眶额皮层位于眼睛上方的大脑前部，与奖励评估、规划、决策制定和学习有关。背侧海马体（dorsal hippocampus, DH）则位于大脑更深、更靠后的位置，与空间导航和情景记忆相关。

“历史上，关于眶额皮层和海马体的研究大体上是平行进行的，但最终这两条研究线得出了非常相似的结论。”Keiflin说，“这两个脑区编码了一张‘认知地图’，这张地图并不一定是纯粹的空间地图，而是环境因果结构的地图。你可以用这张地图来模拟你行动的后果，并选择最佳的前进路径。”

这种认知地图正是我们需要用来理解一个线索的意义取决于其所在情境的东西。然而，在此之前的研究并没有明确测试这些区域在情境消解中的作用。

研究方法

为了了解这两个区域如何参与情境消解，研究人员设计了一个实验，让大鼠暴露于短暂的听觉线索中，这些线索出现在明亮或黑暗的情境下（通过开关灯泡改变）。有时这些听觉线索会导致奖励（一点糖水），但并非总是如此；其他时候，相同的线索没有任何后果，因此它们成为奖励的模糊预测因子。

最终，大鼠会学会一个听觉线索只有在亮光情境中才会带来奖励，而在黑暗情境中则不会；反之亦然。换句话说，它们学会了线索的意义取决于情境。

当大鼠学会区分这两种情境时，它们会在预期到奖励的情况下接近并舔舐糖水杯，而在另一情境中则不会。

为了确定眶额皮层和海马体在这类情境消解过程中的作用，研究人员使用了“化学遗传学”技术，该技术允许他们在任务期间暂时使其中一个结构失活。

他们发现，OFC的失活对任务产生了深远的影响。失去功能的OFC使得大鼠无法利用情境信息来指导其预测并调节奖励寻求行为。令人惊讶的是，DH在这个任务中显得不那么重要；即使海马体被失活，大鼠仍然能够以高精度完成任务。

这是否意味着DH不参与情境消解呢？并非如此。研究人员意识到，知识不仅对过去学习的回忆至关重要，对未来学习也极为重要。

“如果我走进一个高级数学讲座，我会理解和学到很少，”Keiflin说，“但对于数学知识更为丰富的人来说，他们能够理解材料，这将大大促进学习。”

“应用到我们的任务中，我们认为先前对情境依赖关系的知识会促进新情境依赖关系的学习。”他继续说，“确实，这也是我们观察到的现象。”

经过超过四个月的训练，大鼠才学会了最初的上下文依赖对；然而，一旦获得了情境依赖关系的认知地图，大鼠可以在几天内学会新的上下文依赖关系。

使用同样的化学遗传学方法，研究人员检查了OFC和DH在这种由知识加速的学习形式中的作用。这一次，他们发现两者都是必不可少的。没有这两个结构，大鼠无法利用先前的知识对新的上下文依赖关系作出推断。

结论是，OFC和DH都对情境消解有贡献，但方式略有不同：OFC对于使用情境知识调节行为至关重要，而DH则更重要于使用情境知识促进新的上下文学习。

研究意义

心理学中早已确立，教育者们也深知先验知识会影响学习这一事实。然而，这一点在神经科学研究中常常被忽视。Keiflin指出，“更好地理解这种快速学习和上下文依赖关系的推理对于人类学习体验来说可能更具代表性。”