预测误差的神经机制

文 | 追问nextquestion

网球运动员会根据经验预测对手击球后球的轨迹——这是一个典型的预测过程。但若对手打了短球，那她可能速度变招，尽管最后可能还是没有击中。这种情况就是“预测误差”，一个我们大脑中常见但复杂的现象。

最近发表在《自然》杂志上的一项研究揭示了这一过程：大脑的新皮层与丘脑紧密合作，检测并处理我们对环境的预期与现实之间的差异。这些预测误差是通过选择性地增强意外的感官信息来实现的。这可能帮助我们更深入地了解大脑中的预测处理过程，还可能为理解孤独症和精神分裂症中大脑回路的改变提供见解。

▷Furutachi, S., Franklin, A.D., Aldea, A.M. et al. Cooperative thalamocortical circuit mechanism for sensory prediction errors. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07851-w

伦敦大学学院Sainsbury Wellcome中心的科学家们，通过研究小鼠在虚拟现实环境中的行为，朝着理解大脑中预测误差信号的性质以及它们产生的机制迈出了一步。我们的大脑不断在预测：预测周围世界的变化，预测我们行为的后果。当预测与现实不符时，会导致不同大脑区域的强烈激活，而这种预测误差信号对于帮助我们从错误中学习并更新预测非常重要。然而，令人惊讶的是，对于负责在大脑中实现这些信号的神经回路机制，我们知之甚少。

在这项研究中，研究人员将小鼠置于虚拟现实环境中，它们可以在熟悉的走廊中导航以获得奖励。虚拟环境使团队能够精确控制视觉输入并在墙壁上引入意外图像。通过使用双光子钙成像技术，研究人员能够记录来自初级视觉皮层（V1) 中第 2/3 层中许多单个神经元的神经活动。初级视觉皮层是大脑新皮层中第一个从眼睛接收视觉信息的区域。

▷图1：研究所采样的实验设计示意图。

研究人员发现，与预期的相同刺激相比，小鼠初级视觉皮层对新颖且意外的视觉刺激的反应更强，这与之前在人类、非人类灵长类动物和啮齿动物中的研究一致。这种神经反应的差异，不能简单归咎于动物的一般行为状态漂移，例如唤醒或任务参与度的变化。同样，对意外视觉刺激反应的增加也不能用动物运动行为的变化来解释，具体来说，反应增加与跑步速度、刺激引起的减速或瞳孔大小无关。

以前的理论认为，预测误差信号编码了实际视觉输入与预期的差异，但令人惊讶的是，研究人员没有发现这一理论的实验证据。相反，他们发现大脑增强了对意外视觉输入有最强偏好的神经元的反应。这种发现说明，我们观察到的误差信号是这种对视觉信息选择性放大的结果。这意味着我们的大脑通过检测预测与实际输入之间的差异来使意外事件更加突出。

▷图2：不同实验条件下，意外和预期 C2 之间的响应强度差异，与单个 V1 层 2/3 神经元的意外和预期 C3 响应之间的响应强度差异。

为了厘清预测误差信号的性质，研究人员设计了进一步的实验来区分不同的选项。这些实验显示，至少在 V1 的单个神经元水平上，感觉预测误差信号所含的关于实际输入与预测之间差异的信息，少之又少。

接下来，他们测试了预测误差信号是是直接反映实际的视觉输入，还是表达了某种非特异性的惊讶感或与运动相关的信息。结果表明，大多数神经元只对其中一种意外刺激作出了强烈反应，而对另一种则反应平淡，显示出对刺激特征的高度特异性。这揭示了预测误差信号在处理意外视觉信息时，不仅识别出了这些信息的特定特征，还放大了对这些特征的响应，从而增强了我们对未预料事件的感知。

此外，研究人员还发现，除了视觉驱动的神经元外，一部分非视觉响应的神经元也被预测误差所招募，这些神经元的反应也是高度刺激选择性的。

为了理解大脑如何在视觉皮层中产生这种对意外感官输入的放大，研究团队使用了光遗传学的技术来灭活或激活不同组的神经元。他们发现了两组在视觉皮层中产生预测误差信号非常重要的神经元：在 V1 中表达血管活性肠多肽（VIP）的抑制性中间神经元，和一个称为丘脑枕的丘脑脑区。丘脑枕整合了来自许多新皮层和皮层下区域的信息，并与 V1 紧密相连。

当小鼠面对新奇而陌生的视觉刺激时，这些VIP神经元反应激烈，但随着相同刺激的重复出现，其反应强度逐渐减弱。这种反应的减弱与大脑逐渐停止产生预测误差信号的过程平行发生，暗示着VIP神经元的激活与抑制可能在V1中预测误差信号的产生存在因果关系。

▷图3：a, 双光子成像记录的实验设计；b, 所有记录的 VIP 细胞的单细胞层面对意外刺激的响应e, 实验设计，记录 VIP 细胞在视觉刺激呈现期间光遗传学沉默时V1 第 2/3 层细胞的钙活性；f, V1 神经元的顶部、细胞和试验平均反应对呈现的视觉刺激有显著反应。

形象地来说，VIP 神经元就像一个交换机：当它们关闭时，丘脑枕会抑制新皮层的活动，但当 VIP 神经元开启时，丘脑枕可以强烈且选择性地增强新皮层中的感官反应。这两个通路的协同相互作用，介导了视觉皮层中的感官预测误差信号。丘脑枕的这种输入不仅必不可少，而且在V1区域预测误差信号的生成中发挥核心作用。当使用光遗传学技术使VIP神经元或丘脑的连接在V1中静默时，V1对意外刺激的反应也会明显减弱。

该团队的下一步是探索大脑中动物的预测与实际感官输入进行比较以计算感官预测误差的方式和位置，以及预测误差信号如何驱动学习。他们还在探索他们的发现如何有助于理解孤独症和精神分裂症。有人提出，这些障碍都可以用预测误差系统的失衡来解释，研究人员现在正试图将他们的发现应用于模型动物，以研究这些障碍的神经回路基础。

总体而言，这项研究不仅揭示了大脑中预测误差信号的产生机制，而且为我们提供了理解大脑功能和相关神经疾病的关键线索。随着科学家们不断深入挖掘这些预测误差信号的奥秘，他们正逐步构建起一种全新的视角，以此来观察并干预人类大脑的工作方式。如果我们能准确预测大脑的误差反应，并提前介入，除开纠正失调的神经路径外，或许世界还存在更多新的可能。