在空间导航期间对决策相关神经动力学的全皮层表征

大脑如何引导我们穿行于空间

在一座陌生建筑中找到路，或在驾驶时决定转向，看似轻而易举，但在背后，大脑正在调度记忆、感觉和选择。该研究在自由活动的小鼠头部装置微型相机，揭示在动物导航迷宫并决定去向时，大范围脑区如何协同工作。

需求重大决策的小迷宫

研究者训练小鼠在一个八字形迷宫中奔跑，迷宫包含形似字母T的选择点。在任务的一个版本中，动物必须左右交替转弯以获得一滴含糖水。在第二个版本中，规则突然改变，只有左转才有奖励，尽管右转仍被允许。小鼠奔跑时，轻量的头戴式显微镜通过追踪钙信号的闪烁记录了大部分大脑外层（皮层）的活动，这些钙信号指示一群神经元何时被激活。

为了把注意力集中在决策上，团队仔细排查了可能的干扰因素。他们测试了声音线索、迷宫特征、奔跑速度变化或舔水行为是否在驱动这些大脑信号。额外的对照实验——包括不表达钙传感器的动物和仅被训练对声音作出舔舐反应的小鼠——表明这些因素不能完全解释观察到的活动模式。这让研究者确信，他们所观察到的是在皮层中展开的真实与决策相关的信号。

作为“状态”的全脑活动模式

研究者没有逐个小脑区地观察，而是将相似的活动快照归为反复出现的模式，称为皮层状态。每一种状态对应于分布在大脑表面上不同区域的活跃与安静格局。小鼠在执行迷宫任务时使用了大约九种常见状态。处于某一状态的概率会随动物在迷宫中的位置和即将采取的行为而系统性变化。例如，一个在前额运动区活动强烈的状态在小鼠到达奖励喷嘴时达到顶峰，这与想要舔食及处理选择结果的行为相吻合。当动物接近必须选择左或右的T形路口时，视觉和导航相关区域强烈参与的状态最为常见。

通过将被训练的小鼠与仅在迷宫中漫游、没有奖励的“天真”小鼠相比，团队发现被训练动物以更有结构的方式使用这些状态。在被训练的小鼠中，许多状态在迷宫的特定点上出现的概率高于随机水平，而天真动物则表现出更弱且不那么有组织的模式。状态的使用方式还反映了选择、任务规则以及成败。当前额、顶叶和视觉区的某些组合在小鼠选择左转与右转、规则要求交替与仅左转、以及试次正确或错误时有所不同。重要的是，状态模式往往能在小鼠到达奖励区之前就检测到错误，这表明大脑事先“知道”错误的发生。

在皮层上流动的活动波

研究进一步考察了皮层状态如何随时间相继出现，形成序列或“母题”。许多这样的母题类似于从大脑后部向前部传播的活动波（向前流）或相反方向的波（向后流）。总体上，向前流更为常见，尤其是在小鼠沿中走廊移动、在T路口做决策或接近奖励喷嘴时。这一模式契合这样的观念：来自视觉和顶叶区域的感觉信息逐步被转化为前额运动区的计划性运动。向后流在做出选择之后、接近奖励给付以及错误试次期间更为突出。这些反向波与来自前额区的自上而下信号一致，向视觉与导航区发送关于刚发生事件的反馈，以及如何调整未来行为的信息。

对理解日常选择的意义

这项工作表明，大脑使用一组不断变化的大尺度活动模式及横扫其间的波来将感知、记忆与行动在导航中结合起来。这些模式的不同组合反映了动物是左转还是右转、遵循哪条规则，以及其选择是否有回报。对普通读者而言，核心信息是：在移动中做出的决策并不是由单一的“决策中心”处理的。相反，它们源自皮层前后部之间的协调对话，向前的流有助于把感官线索转化为行动，而向后的流则提供关于成功与失败的内部反馈。

引用: Haley, S.P., Surinach, D.A., Nietz, A.K. et al. Cortex-wide characterization of decision-making neural dynamics during spatial navigation. Nat Commun 17, 4482 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71074-y

关键词: 空间导航, 决策制定, 皮层动力学, 钙成像, 小鼠行为