国际脑实验室（IBL）近期公布了一项里程碑式的研究，成功绘制出首个小鼠大脑在决策过程中，达到细胞分辨率水平的全景活动图谱。这项由麻省理工学院神经科学家Ila Fiete等国际顶尖研究团队共同完成的突破性工作，不仅在《自然》杂志上以两篇论文的形式发表，更以前所未有的深度揭示了决策机制在整个大脑中的动态展开，挑战了长期以来关于大脑信息处理的传统等级模型。
颠覆传统：决策信号的广泛分布
传统的神经科学观点倾向于将大脑功能划分为明确的层级结构，认为决策等高级认知过程主要集中在特定的大脑区域。然而，IBL的研究成果却提供了强有力的证据，表明决策相关信号并非孤立存在，而是以高度分布式、跨区域协调的方式在整个大脑中显现。IBL的联合创始人Alexandre Pouget形象地指出，决策活动，尤其是与奖励相关的信号，点亮了大脑，使其如同“圣诞树”般璀璨。研究团队记录了来自12个实验室、超过50万个神经元的活动数据，覆盖了279个大脑区域，几乎占据了小鼠大脑95%的体积，如此大规模、高分辨率的记录是前所未有的。
先进技术与协作模式：实现全脑洞察
这项宏伟的脑图谱项目得以实现，离不开全球神经科学家们的紧密协作以及尖端技术的应用。研究团队广泛使用了先进的硅电极——神经像素探针（neuropixels probes），在小鼠执行决策任务时同步测量神经活动。麻省理工学院的Ila Fiete教授对此项合作的价值深有体会，她表示，IBL为研究团队提供了新的科学贡献途径，特别是在数据分析方法标准化和鲁棒性结论生成方面发挥了关键作用。对于像Fiete教授这样的计算神经科学家而言，获取全脑尺度的记录数据具有革命性意义，它极大地拓展了构建和验证大脑工作理论的能力，使得过去因数据限制而 fragmented 的模型得以整合和简化。
图像展示了75000个已分析神经元的活动，每个点的大小根据该神经元的原始平均放电率线性缩放。
揭秘小鼠决策任务：理解认知机制
在实验中，小鼠被训练执行一项包含感官、运动和认知元素的决策任务。小鼠面对屏幕，当左右两侧出现微弱光线时，需要通过转动一个小型滚轮来做出正确响应以获得奖励。研究人员巧妙地设计了高难度试次，光线亮度极低，迫使小鼠根据其对光线出现频率的先验知识进行猜测。通过观察小鼠在这些挑战性任务中的行为，科学家们得以深入探究先验期望如何影响感知和决策过程。这项任务的设置，为研究大脑如何整合多维度信息以指导行为提供了宝贵的数据基础。
成果一：决策信号的普遍性与跨区域沟通
第一篇《自然》论文“复杂行为中神经活动的全脑图谱”详细阐述了决策信号出人意料地分布于整个大脑，而非局限于特定区域。这一发现为挑战传统的大脑功能等级模型增添了全脑层面的证据，强调了在决策、运动启动乃至奖励过程中，大脑区域之间存在持续且紧密的沟通。这提示未来的神经科学研究在探索复杂行为时，必须采取更加整体和全脑的视角。
Fiete教授对此评论道：“我们前所未有的记录广度，揭示了整个大脑如何执行感官处理、认知决策和运动生成的完整过程。构建一个收集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项革命性突破，它将该领域带入了粒子物理学和人类遗传学等领域中已被证明卓有成效的超级协作模式。”
成果二：先验信息的全脑表征
第二篇《自然》论文“小鼠决策中先验信息的全脑表征”则揭示，先验期望——我们基于近期经验对可能发生事件的信念——同样编码在整个大脑中。令人惊讶的是，这些期望不仅出现在认知区域，甚至在处理感官信息和控制行动的大脑区域也有所体现，例如，在视觉输入的第一站，即早期感官区域丘脑中也发现了期望编码。这有力地支持了“大脑是预测机器”的观点，并强调了期望在多个大脑结构中发挥核心作用，以指导行为反应。这些发现对于理解精神分裂症和自闭症等可能与大脑期望更新方式异常相关的疾病，具有重要的理论和临床意义。
视频展示了小鼠大脑全景活动图。
Fiete教授进一步指出：“许多问题仍待探索：如果在某个脑区发现了信号，这是否意味着该区域是信号的发生源，还是仅仅反映了其他地方产生的信号？我们对世界的感知在多大程度上受到期望的影响？现在，我们可以量化地回答这些问题，并开始下一阶段的实验，通过干预和调节这些期望信号的活动来探究它们的起源。”
展望未来：协作神经科学的新范式
IBL团队计划在获得新一轮资金支持后，将研究范围从决策扩展到更广泛的神经科学问题，并继续支持大规模、标准化的实验。IBL于2017年正式启动，开创了一种全新的神经科学协作模式。它采用一套跨实验室共享的标准化工具和数据处理流程，从而实现了海量数据集的收集，同时确保了数据的一致性和可重复性。这种推动科学民主化和加速发展的方法，汲取了大型物理学和生物学合作项目（如CERN和人类基因组计划）的灵感。
IBL的使命包括将所有研究数据以及工具和协议的详细规范向全球科学界开放，以供进一步分析和研究。这些资源摘要可在IBL网站的数据、工具和协议部分查看和下载。这项研究得到了Wellcome、Simons基金会、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、Gatsby慈善基金会以及马克斯·普朗克学会和洪堡基金会的资助，彰显了国际合作在推动前沿科学发展中的核心地位。
