传统观点认为，决策过程主要依赖少数几个脑区，尤其是前额叶和顶叶皮层。然而，国际脑实验室（International Brain Laboratory，IBL）的一项最新研究通过对139只小鼠执行视觉辨别任务时的全脑神经活动进行记录，发现决策相关信号广泛分布于皮层及皮层下多个脑区，涵盖后脑、小脑和中脑等区域。此外，运动和反馈信号也遍布全脑，先验信息甚至在早期感觉处理区域就已体现。这些发现挑战了传统的串行信息流模型，提示决策过程涉及更加平行和分布式的神经处理机制。
一、国际脑实验室：跨实验室协作推动全脑决策研究
IBL成立于2017年，由Anne Churchland等科学家发起，旨在解决以往决策神经科学研究碎片化、样本量小和数据难以整合的问题。通过12个实验室协作，采用标准化的实验范式和仪器，IBL实现了对近300个脑区、超过62万个神经元的统一记录，显著提升了数据的覆盖度和统计效力。
二、实验设计与技术手段
视觉辨别任务
- 刺激：屏幕左侧或右侧出现黑白条纹圆盘。
- 动作：小鼠通过转动微型轮子将圆盘移动至屏幕中央。
- 反馈：成功完成任务获得水奖励，失败则听到白噪声提示。
神经活动记录技术
- Neuropixels探针：高密度电生理技术，实现单细胞水平的神经活动监测。
- 全脑覆盖：不同实验室分别记录不同脑区，数据汇总后覆盖整个小鼠大脑。
- 时间锁定：记录从视觉刺激出现至反馈奖励的全过程神经活动。
三、研究主要发现
1. 决策选择信号遍布全脑
| 传统模型 | IBL发现 |
|---|
| 选择信号主要集中于前额叶和顶叶皮层 |
选择相关神经活动不仅存在于皮层，还广泛分布于皮层下区域，如后脑、小脑和中脑 |
| 信息流为感觉丘脑→初级视觉皮层→联合皮层→额叶皮层的串行传递 |
决策信息呈现多条平行处理路径，非简单串行流动 |
2. 运动信号广泛分布
- 81%的脑区神经活动可预测小鼠轮子转动速度，远超传统运动皮层范围。
- 这表明非运动相关脑区也参与运动准备和监控。
3. 反馈信号覆盖全脑
- 奖励相关神经活动不仅限于传统奖赏中心（如腹侧被盖区、伏隔核），还广泛存在于丘脑、中脑和后脑等区域。
- 反馈信号可能在学习和调整决策策略中发挥关键作用。
4. 先验信息在早期感觉通路体现
- 当刺激更频繁出现在某侧时，小鼠会将该先验概率整合进决策过程。
- 先验信息在20-30%的脑区中体现，包括背外侧膝状体等早期感觉处理区域。
- 这一发现挑战了先验信息仅在高级皮层整合的传统观点。
四、对决策神经科学的启示
| 传统观点 | IBL新证据 |
|---|
| 决策由少数“决策中心”执行 |
决策信号遍布全脑，包括皮层下结构 |
| 信息流为串行通路 |
存在多条平行处理通路，信息同时分布于多个脑区 |
| 先验信息在决策后期整合 |
先验信息在早期感觉通路即已影响神经活动 |
| 运动信号局限于运动皮层 |
81%的脑区神经活动与运动相关 |
五、未解难题与未来研究方向
| 问题 | 说明 |
|---|
| 因果关系 |
虽然决策信息广泛反映于多个脑区，但哪些脑区实际参与决策执行和学习仍需通过光遗传学、药物失活等因果操控实验验证。 |
| 功能分工 |
广泛分布是否意味着所有脑区执行相同计算，或不同脑区承担编码、整合、传递等不同角色尚不明确。 |
| 跨物种通用性 |
小鼠模型的发现在人类大脑中是否同样适用仍需进一步研究。 |
| 从相关到因果 |
IBL构建的全脑决策信号图谱为全球神经科学家提供了宝贵资源，助力设计因果实验验证神经机制。 |
六、IBL 2.0：协作扩展与数据共享
| 方向 | 说明 |
|---|
| 扩大协作 |
IBL已扩展至21个实验和理论神经科学实验室，促进跨领域合作。 |
| 工具共享 |
计划将积累的技术工具和专业知识开放给新合作伙伴。 |
| 开放数据 |
数据集已公开，研究人员可方便地测试新假设，推动决策神经科学发展。 |
七、结论：决策是全脑分布式事件
国际脑实验室的研究表明，决策信号并非局限于传统的少数决策中心，而是遍布整个大脑皮层及皮层下结构，包括早期感觉区域、运动相关区域和反馈奖赏区域。先验信息的早期体现和运动、奖励信号的广泛分布，提示传统串行决策模型需修正为包含平行处理和分布式编码的新模型。未来通过因果实验验证各脑区具体功能，将进一步深化对决策神经机制的理解。
参考文献：
International Brain Laboratory (IBL). (2025). Decision-making signals engage entire brain. Nature. (责任编辑：glia) |