国际脑实验室（International Brain Laboratory, 简称IBL）的国际研究团队，近期在《自然》杂志上发表了两篇具有里程碑意义的论文，首次向世界揭示了小鼠全脑在执行复杂决策任务时的细胞级活动图谱。这一突破性成果不仅为我们理解大脑如何处理信息、作出判断提供了前所未有的视角，更深刻挑战了传统神经科学中关于信息处理层级化、区域化的固有认知，强调了决策过程是一个高度分布式且协调统一的全脑现象。
史无前例的协作与数据规模
这项宏大研究之所以能够实现，得益于IBL独特的国际合作模式。来自全球12个实验室的神经科学家们紧密协作，共同利用尖端的Neuropixels探针，在小鼠执行决策任务时，同步记录了超过五十万个神经元的活动。这些记录覆盖了小鼠大脑的279个区域，几乎包含了95%的大脑体积。IBL联合创始人Alexandre Pouget教授指出，如此大规模、细胞分辨率的全脑活动图谱尚属首次，尤其令人震惊的是，在决策和奖励信号出现时，整个大脑如同“圣诞树般被点亮”。
MIT的神经科学家Ila Fiete教授，作为本次合作的核心成员之一，强调了IBL模式对计算神经科学的巨大价值。她指出，传统研究中对单一或少数脑区的记录，极大地限制了构建和验证大脑工作理论的能力。而今，全脑记录为神经科学家提供了前所未有的机遇，能够从整体层面理解大脑各部分如何协同完成特定行为。令人意外的是，当拥有了大脑的全貌后，原本复杂的决策模型反而变得更加精炼和简化。
精心设计的决策任务
为了探究大脑在决策过程中的动态，研究团队设计了一个巧妙的行为任务。小鼠坐在屏幕前，屏幕左右两侧会随机出现微弱的光点。小鼠需要通过转动一个小型滚轮，朝光点出现的方向移动，如果方向正确，便会获得奖励。在部分极度微弱的试次中，小鼠难以直接感知光点位置，此时，它们需要依赖“先验知识”进行猜测。这种先验知识来源于光点在某一侧出现的频率会在一段时间内更高，之后再切换到另一侧。经过训练的小鼠能学会利用这一信息，显著提高猜测的准确性。通过这种包含感知、运动和认知要素的复杂任务，研究人员得以深入分析大脑如何整合感官输入、先验预期和运动输出，从而作出决策。
全脑图谱揭示的颠覆性发现
决策信号的广泛分布
第一篇论文《复杂行为下神经活动的全脑图谱》的关键发现是，决策信号并非集中于大脑的某个“决策中心”，而是出乎意料地广泛分布于整个大脑。这为近年来挑战传统大脑功能层级模型的诸多研究增添了强有力的全脑证据。它强调了在决策、运动启动乃至奖励处理过程中，大脑各个区域之间持续且动态的交流。这一发现意味着，未来神经科学在研究复杂行为时，必须采纳更加整体化、整合性的全脑视角，而非孤立地考察特定区域，以全面把握神经回路的复杂互动。
Fiete教授对此表示，前所未有的记录广度揭示了整个大脑如何完成从感官处理、认知决策到运动生成的完整过程。她认为，IBL建立的这种大规模标准化数据集的协作模式，是系统神经科学领域的一场革命，将该领域引入了类似于粒子物理学和人类基因组学那种高度协作的模式，从而推动了科学的巨大飞跃。IBL的数据集和相关技术早已作为开放资源发布，已成为整个神经科学界广泛使用的宝贵财富。
先验信息的全脑表征
第二篇论文《小鼠决策中先验信息的全脑表征》则揭示了另一项令人深思的发现：先验预期——即我们根据近期经验对可能发生事件的信念，同样编码于整个大脑。令人惊讶的是，这些预期不仅存在于通常被认为负责高级认知的区域，还广泛分布于处理感官信息和控制运动的脑区。例如，即使在丘脑这类初级视觉输入中继站，也发现了先验预期的编码。这有力支持了大脑作为一个“预测机器”的观点，即大脑通过不断生成和更新对世界的预期来指导行为响应。
这些发现具有重要的临床意义。例如，精神分裂症和自闭症等神经精神疾病，被认为与大脑更新预期的方式存在差异有关。深入理解先验预期如何在全脑范围内编码和影响行为，有望为这些疾病的诊断和干预策略提供新的思路。Fiete教授展望道，未来还需要进一步探究，一个脑区中发现的信号究竟是其自身产生，还是仅仅反映了其他区域的信号？我们的世界感知在多大程度上受预期影响？如今，我们有能力量化这些问题，并启动下一阶段的实验，通过干预特定区域的活动来揭示预期信号的真正起源。
神经科学协作的新范式
IBL自2017年正式启动以来，便致力于构建神经科学协作的新模式。它通过在多个实验室之间共享标准化的工具和数据处理流程，实现了大规模数据集的收集，同时确保了数据的对齐性和可重复性。这种方法论上的创新，汲取了欧洲核子研究中心（CERN）和人类基因组计划（Human Genome Project）等大型物理学和生物学协作项目的成功经验，旨在推动科学的民主化和加速发展。IBL的所有研究数据，连同详细的工具和协议规范，都对全球科学界开放，以促进更广泛的分析和研究。未来，IBL计划在现有决策研究的基础上，进一步拓展其研究范畴，探索更广泛的神经科学问题，持续推动大规模、标准化实验的进程。
综上所述，IBL的这项研究不仅在小鼠全脑层面揭示了决策和先验信息处理的复杂机制，更通过其开创性的国际协作模式，为神经科学乃至整个科学界树立了一个典范。它证明了通过整合全球智慧、标准化研究流程和开放数据共享，我们能够以前所未有的速度和深度，解开生命最复杂的奥秘——大脑的工作原理。
