神经科学难题200年后取得重大突破 来自葡萄牙的研究

北京时间8月13日,发表在《Nature Neuroscience》上的一项研究,来自葡萄牙里斯本Champalimaud未知中心的研究团队解决了一个长达200年历史的神经科学难题。几个世纪以来,精神世界和物质世界被认为是完全不同的两个世界。虽然无生命物体的运动可以通过数学来测量和证明,但生物体的行为似乎意识控制的不同力量塑造的。



大约200年前,德国医生Ernst Heinrich Weber做了一个看似无害的观察,由此诞生了心理物理学这门学科,它是研究心物关系并使之数量化的一个心理学,涉及物理刺激及头脑中唤起的感觉。在实验中,Weber要求受试者判别出两种稍微不同的重量中哪一种更重。通过这些实验,他发现受试者做出正确选择的概率只取决于权衡之间的比例。


Weber


举例来说,如果一个受试者在比较1千克和1.1千克的重量时有75%的正确率,那么当他比较2千克和2.2千克的两个重量时,正确率也将达到75%。通常,任意一个重量比另一个重10%的情况下都将如此。这一简单但精确的规则为根据数学定律对行为进行量化打开了大门。


从那以后,Weber的观察被推广到许多动物物种的感知方式,从而形成了现在所知的韦伯定律。它是心理物理学中最古老且最确定的定律。心理物理定律描述了感知的精确规则,并且非常重要,因为它们可以用来从大脑过程中获得行为的数学解释,就像行星在天空中的精确运动模式对于理解引力一样有用。


多年来,人们对韦伯定律提出了许多解释。虽然他们都能解释韦伯的发现,但还没有找到实验测试来确定哪种模型是正确的。因此,韦伯定律的数学解释之谜仍然悬而未决。


来自葡萄牙里斯本Champalimaud未知中心Alfonso Renart的研究团队发现,韦伯定律可以被描述为一种新的心理物理规则,该规则涉及做出选择所需的时间,而不仅仅是结果。而且,该研究团队已经证明,这一新规则足以推导出一个独特而准确的数学模型,描述韦伯定律背后的认知过程。


时间是关键


在这项新研究中,Alfonso Renart的团队训练大鼠判别两种强度略有差异的声音。他们专门制造了一种特别适合大鼠头部的微型耳机,并用它们同时向其两只耳朵传递声音。


在每次试验中,两个扬声器中的一个的音量会稍微大一些,而小鼠的任务是报告哪一个扬声器的音量更大,并指向相应的一侧。


图片来源:《Nature Neuroscience》


研究第一作者Jose Pardo-Vazquez解释说:“这种行为对大鼠来说很自然,因为它们的头会朝向声音的来源,就像我们一样。”大鼠可以在需要的时候体验这种声音,以便做出决定。因此,每次尝试都提供了选择和决策时间。


Pardo-Vazquez说:“我们的实验证实,这些动物的行为符合韦伯定律。它们分辨这两种声音中哪一种音量更大的能力只取决于这两种声音强度之间的比例。如果让它们比较两种柔和播放的声音强度,只要两种声音的强度比相同,动物的准确率就和两种大声播放的声音一样。”


图片来源:《Nature Neuroscience》


然后,研究团队开始详细分析大鼠做出决定所花费的时间,这一步后来被证明是至关重要的。Pardo-Vazquez解释道:“通常,韦伯定律的研究集中在判别的准确性上,这也是韦伯本人所描述的。令人惊讶的是,花在决策上的时间几乎没有受到关注。”


该团队意识到,决策时间和这两种声音的强度是相关联的,即音量越大,决策时间越短。事实上,他们表明这种联系的本质是独特的,并且在数学上是精确的,可以在两个安静声音之间的判别中观察到决策时间。例如,受试者区分两个响亮声音之间时所测量的决策时间恰好成正比(只要声音的相对强度是恒定的)。


超越韦伯定律


事实上,除了韦伯定律之外,该团队发现了一种新的心理物理定律,他们称之为“判别中的时间强度等效” (TIED),因为它将两种声音的整体强度与判别它们所用的时间联系起来。这种联系比韦伯定律更为严格,因为它不仅联系了成对判别的准确性,还联系了它们相关的决策时间。Pardo-Vazquez说:“在我们的实验中,决策时间之间的这种关系的精确度是惊人的。用如此精确的数学来描述动物的行为是不寻常的。”


图片来源:《Nature Neuroscience》


为了研究TIED在不同条件下是否也能保持平衡,该团队对人类受试者进行了同样实验,并获得了相似的结果。他们还分析了其他人的实验,在这些实验中,大鼠对混合气味进行嗅觉判别,同样得到了相同的结果。Pardo-Vazquez说:“现在说TIED是否与韦伯定律一样普遍还为时尚早,但我们在两个物种和两种感官模式中得到了同样的结果,这是令人鼓舞的第一步。”


接近正确的模型


多年来,科学家们已经提出了几十种数学模型来解释韦伯定律,但没有明确的实验测试来区分它们。研究人员表示,TIED提供了一条前进的道路。他们的分析表明,为了与TIED保持一致,判别任务的数学模型需要满足一组严格的条件。


该研究合著者Juan Castineiras说:“这真是太棒了!TIED限制了可能的解释,从而解决了韦伯定律中许多模型之间的模糊性。”


20世纪80年代末,心理学家Stephen Link提出的一个模型曾接近解决方案,但她忽略了一个重要的条件,即描述感官刺激的强度是如何被感觉神经元的活动编码的。


最后一步是利用这些条件,建立一个模型来测试它对大鼠行为的准确程度。Castineiras说:“我们用尽可能少的参数分析了最简单的模型。当选择这些参数值来最大限度地接近大鼠的行为时,我们发现模型的拟合是显著的。即使是最简单的模型我们也能有效地捕捉到几乎没有误差就可以测量的一切。该模型描述了感知如何工作的真实情况,这极大地增强了我们的信心。”


精确的实验和理论取得了明确的进展


由于新的心理物理定律和描述实验数据数学模型的精确性,这些结果在他们的领域中脱颖而出。Renart说:“尽管在生物学和行为研究中很少被观察到,但精确的实验结果能够提供精确的解释,从而消除先前的模棱两可,实现了进步。”例如,他们的结果表明,心理物理学的一个主要理论不足以描述这种联系。Castineiras说说:“在神经科学领域,用数学解释来排除相互矛盾的理论是非常罕见的,因为总有可能对一个模型稍加修改,使其与实验数据相兼容。我们发现,心理物理学中一个非常有影响力的理论,称为信号检测理论,它没有对决策时间进行建模,因此无法描述TIED。它忽略了解释韦伯定律的本质。”


该研究团队的下一个目标之一是要了解他们已经确定的数学模型是如何通过大脑实现的。Renart总结道:“我们想要确定哪些大脑区域在我们的任务中是重要的,以及这些神经元如何执行模型的不同计算元素。“


关于神经科学


神经科学是指寻求解释神智活动的生物学机制,即细胞生物学和分子生物学机制的科学。神经科学寻求了解在发育过程中装配起来的神经回路是如何感受周围世界、如何实施行为的,它们又如何从记忆中找回知觉,一旦找回之后,它们还能对知觉的记忆有所作用。

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