北京智源人工智能研究院：2020年人工智能的認知神經基礎白皮書（51頁）.pdf

1、 全腦功能連接組：高通量全腦成像輔助預測斑馬魚決策行為 由于技術上的挑戰，以往對生物腦的研究多集中在局部腦區。隨著光學成像技術的興起，結合斑馬魚幼魚這樣一種神經網絡規模適中，且腦組織高度透明的模式生物，使得高通量的全腦成像成為可能。并且隨著光片、光場顯微成像技術的逐步發展，人們可以在更高的時間分辨率上獲得生物全腦的神經活動信息。這就使得人們可以實時檢測完整的生物腦在進行信息加工時的活動，這將為理解神經系統的工作機制提供更為豐富的信息。對生物智能過程的盡量如實的還原，也將有助于對生物智能進行仿真，為開發功能更為優化的類腦神經網絡提供助力。 2020年 1 月 Qia

2、n Lin 等人在 Cell 雜志上發表的工作5，通過在全腦范圍內對目標引導的決策行為進行研究，揭示了斑馬魚的小腦在認知功能上的作用。在外界刺激的作用下，生物會形成趨利避害的學習記憶，然后通過目標引導的行為對不同的外界環境作出相應的響應。 Qian Lin 等人通過建立操作條件化范式，來研究斑馬魚幼魚運動選擇行為的神經基礎。在實驗中，實驗者會在斑馬魚幼魚的頭部放置一個熱源，通過加熱向幼魚施加一種厭惡刺激。當幼魚的尾巴向目標方向（向左或向右）擺動時，熱源的加熱便會停止，否則（其它尾動情況）則會持續加熱。經過少量試次的訓練，幼魚能夠學會這一行為。這一范式涉及到了感覺輸入、信在執行任務的過程中，實驗

3、者通過自制的光場顯微鏡，在幼魚的全腦范圍內實時采集神經活動。經過對多個腦區中約 5000 個最為活躍的神經元進行追蹤，發現參與這一行為任務的神經元分布在整個前腦、中腦和后腦前部。由此可見這一行為的執行，需要整合多個腦區的信息。依據 t-SNE非線性降維分析，這些神經元可被劃分成 6 個具有不同功能特征和解剖區域定位的神經元類群。每一個類群都參與到這一行為任務的不同階段。比如類群 1 與熱刺激的出現有關，類群 6 與熱刺激的消失有關。經過分析這些神經元的響應模式，實驗者能夠依據神經活動在單個試次中運動發起前的 10s 以上，預測幼魚即將發起的運動方向。他們發現，在一個個試次中，幼魚的“腦狀態”（

4、即所有神經元在特定時間的活動狀態）呈現周期性的動力學變化。在執行運動前，不同運動方向的決策會呈現出顯著不同的腦狀態。依據這些神經活動上的差異，能夠成功的預測幼魚接下來的尾動行為，無論在這一個試次中幼魚決策時間的長短。然后在新的試次中，腦狀態變化又會進入新的循環。這些神經活動的動力學變化產生于分布式神經網絡，這一網絡的功能連接會在試次間發生變化。人們發現在執行行為任務正確的試次中，在運動發起前，幼魚同側小腦（ipsi CB，ipsilateral cerebellum）與韁核（Hb，habenula）間的神經活動的相關性，要顯著高于錯誤的試次。對于形成正確決策的運動計劃，腦區內與腦區間的信息整合

5、與調節是十分必要的。經過進一步的分析認為，幼魚的小腦和 ARTR 區域（anterior rhombencephalic turning region）中的信號，對于尾動的方向決策具有最強的預測性。在進行運動計劃過程中，小腦同側和對側半球的神經活動差異構成了方向決策的神經基礎。神經響應更強的一側，決定了方向選擇的輸出。而雙側小腦的群體神經活動編碼了每一個試次中神經系統作出決策的時間。 在以往的研究中，人們普遍認為小腦主要與運動相關。而這項研究則發現了小腦的認知作用，及其在運動計劃中的重要性。在實驗中，人們還發現小腦中的顆粒細胞的神經活動對于運動的決策預測是十分重要的。在以往的研究中，人們曾發現顆粒細胞也參與到學習記憶之中?？梢娺@一實驗使人們對小腦顆粒細胞的功能有了新的了解。此外這一實驗結果還反映了，目標引導的行為需要多個腦區的共同參與，因此在日后的研究中，更多的獲得跨腦區的神經信號，將有助于我們更全面的探索感覺運動整合的機制。 斑馬魚幼魚的優勢在于能夠進行高通量的在體光學成像。新型光學成像技術的不斷優化，不僅在成像視野的水平上獲得了提高，在成像的空間分辨率與時間分辨率的緯度上，也獲得了較大的突破。這使得研究者不僅能夠直接觀測到單個神經元的活動，還能夠更準確的分析神經活動的時間關系。這使得人們向更高還原度的檢測神經系統的信息加工過程邁進了一步。