一项由麻省理工学院教授Ila Fiete等神经科学家组成的国际合作团队，成功绘制了小鼠全脑范围、细胞分辨率的决策活动图谱。这项前所未有的研究成果，深入揭示了决策过程如何在整个大脑中展开，挑战了传统上认为信息处理遵循严格层级结构的观点。
颠覆传统：决策的分布式本质
长期以来，神经科学界普遍倾向于将大脑功能划分为特定的区域，认为不同的脑区负责特定的任务，如感觉皮层处理感知信息，运动皮层控制动作，而决策则可能由前额叶等高级认知区域主导。然而，国际脑实验室（IBL）的研究，包括麻省理工学院神经科学家Ila Fiete在内的团队，通过在《自然》杂志上发表的两篇开创性论文，提供了令人信服的证据，表明决策并非孤立地发生在某个“决策中心”，而是以一种高度协调、分布式的方式遍布于整个大脑。
IBL的共同创始人Alexandre Pouget解释说，这是首次在决策过程中绘制出单神经元的全脑活动图谱。这项工作的规模是空前的，他们在12个实验室的数百万个神经元上进行了记录，覆盖了279个脑区，这几乎代表了小鼠大脑95%的体积。令人惊讶的是，决策活动，尤其是与奖励相关的信号，点亮了整个大脑，就像一棵圣诞树一样璀璨，这有力地支持了决策是一个全脑参与的复杂过程。
探究决策：精密的实验设计
这项宏伟的脑图谱计划得以实现，得益于多所大学神经科学家的重大国际合作。研究团队横跨12个实验室，采用了最先进的硅电极——神经像素探针（neuropixels probes），在小鼠执行决策任务时，同步记录其神经活动。这种标准化、大规模的数据采集方式，是传统单一实验室研究无法企及的。
麻省理工学院脑与认知科学教授、麦戈文脑研究所副研究员、K. Lisa Yang ICoN中心主任Fiete教授强调，参与国际脑实验室为她的团队贡献科学开辟了新途径。她的实验室在数据分析和从海量数据中得出可靠结论的方法标准化方面发挥了关键作用。对于像他们这样致力于构建大脑工作模型计算神经科学家来说，能够获取全脑范围的神经记录是令人难以置信的。传统上，仅记录一个或少数几个脑区的数据限制了构建和检验理论的能力，导致模型碎片化。如今，面对整个大脑的视图，他们面临着一个既令人愉悦又艰巨的任务：理解大脑所有部分如何协调以完成特定行为。令人惊喜的是，拥有大脑全貌反而导致决策模型变得更加简化和清晰。
实验中，小鼠被放置在一个屏幕前，屏幕左右两侧会随机出现光点。如果小鼠向正确的方向转动小轮，就能获得奖励。在一些特殊试验中，光线会变得极其微弱，迫使小鼠进行猜测。然而，小鼠可以利用其先验知识——光点在一侧出现的频率通常会在一段时间内较高，之后再切换到另一侧。经过训练的小鼠学会利用这些信息辅助其猜测。这些充满挑战的试验使研究人员能够深入研究先验预期如何影响感知和决策过程。
全脑视角下的研究洞察
第一篇论文《复杂行为期间神经活动的全脑图谱》指出，决策信号出乎意料地广泛分布于整个大脑，而非局限于特定区域。这为越来越多的挑战传统层级脑功能模型的研究提供了全脑层面的证据，并强调在决策、运动启动乃至奖励过程中，大脑区域之间存在持续不断的通信。这意味着，未来神经科学家在研究复杂行为时，需要采取更全面的全脑方法。
Fiete教授表示，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全过程。构建一个收集大型标准化数据集的合作模式，是系统神经科学的一次革命性尝试，它将该领域引入了粒子物理学和人类基因组计划中那种高度协作的模式。除了他们自己的结论，作为IBL使命一部分更早发布的这个数据集及相关技术，已经成为整个神经科学界广泛使用的宝贵资源。
第二篇论文《小鼠决策中先验信息的全脑表征》则揭示了先验预期——我们基于近期经验对可能发生事件的信念——在整个大脑中被编码。令人惊讶的是，这些预期不仅存在于认知区域，还存在于处理感觉信息和控制行动的脑区。例如，预期甚至编码在初级感觉区域如丘脑中，而丘脑是大脑接受视觉输入的第一站。这支持了大脑是一个预测机器的观点，但更强调预期在多个脑结构中广泛编码，并在指导行为反应中发挥核心作用。这些发现可能对理解精神分裂症和自闭症等疾病产生重要影响，这些疾病被认为与大脑中预期更新方式的差异有关。
Fiete教授进一步探讨，如果能在某个脑区找到信号，这是否意味着该区域正在生成信号，还是仅仅反映了从其他地方生成的信号？我们对世界的感知在多大程度上受到预期的塑造？现在，我们能够生成一些定量的答案，并开始下一阶段的实验，通过干预调节其活动来了解预期信号的起源。这些深层问题为未来的研究指明了方向。
合作神经科学的新范式与未来展望
国际脑实验室（IBL）于2017年正式启动，它引入了一种神经科学领域的新型合作模式：采用一套标准化的工具和数据处理流程，在多个实验室之间共享。这种模式能够收集海量数据集，同时确保数据的一致性和可重复性。这种旨在民主化和加速科学研究的方法，借鉴了物理学和生物学领域大型合作项目（如CERN和人类基因组计划）的成功经验。
所有这些研究的数据，连同用于数据收集的工具和协议的详细规范，都向全球科学界开放，可供进一步分析和研究。这些资源的摘要可以在IBL网站的数据、工具和协议部分查看和下载。这种开放科学的精神，无疑将极大促进神经科学领域的创新和发展。
展望未来，IBL团队计划将其研究范围从最初的决策领域扩展到更广泛的神经科学问题。随着新的资金注入，IBL旨在扩大其研究规模，并继续支持大规模、标准化的实验。这预示着一个更加开放、协同且数据驱动的神经科学新纪元，有望在不久的将来，为人类理解自身最复杂的器官——大脑，带来更多突破性的发现。
