灵长类丘脑核选择抽象规则并塑造前额叶动力学
学术背景
认知控制是人类根据目标和情境灵活调整行为的能力，而前额叶皮层（Prefrontal Cortex, PFC）在这一过程中扮演着至关重要的角色。过去的研究认为，PFC通过高维度的任务变量表征来读取规则，进而指导行为。然而，越来越多的证据表明，丘脑（Thalamus）可能在规则选择和信息传递中起到关键作用。特别是，丘脑与PFC之间的紧密连接使得丘脑能够从PFC的输入中选择相关信息，并将其反馈给PFC，从而影响后续的任务处理。
本研究旨在探索丘脑如何从PFC的输入中选择抽象规则，并通过与PFC的交互来维持这些规则的表征。通过研究灵长类动物在执行规则任务时的神经活动，研究者希望揭示丘脑在认知控制中的具体作用，并阐明其与前额叶皮层的动态交互机制。
论文来源
这篇论文由Jessica M. Phillips、Mohsen Afrasiabi、Niranjan A. Kambi等学者共同撰写，研究团队来自威斯康星大学麦迪逊分校心理学系、威斯康星国家灵长类研究中心、石溪大学文艺复兴医学院神经外科系等多个机构。论文于2025年6月18日发表在Neuron期刊上，标题为《Primate Thalamic Nuclei Select Abstract Rules and Shape Prefrontal Dynamics》。
研究流程
1. 实验设计与任务
研究团队设计了一项层次规则任务（Hierarchical Rule Task, HRT），要求猴子依次应用两个规则：抽象规则和具体规则。抽象规则指定了一类下属的具体规则，这些具体规则可以映射到特定的动作或目标。例如，抽象规则可以是“形状”或“方向”，而具体规则则是在抽象规则下的具体指令，如“选择左侧目标”或“选择垂直目标”。
2. 神经记录与数据分析
研究者使用线性微电极阵列（Linear Microelectrode Arrays, LMAs）同时记录了猴子在执行HRT任务时四个脑区的神经活动：前额叶皮层（PFC）、丘脑腹前核（Ventroanterior Thalamus, VA）、丘脑内侧背核（Mediodorsal Thalamus, MD）以及其他相关区域。通过扩散磁共振成像（Diffusion MRI）和概率纤维追踪（Probabilistic Tractography），研究者精确定位了这些脑区的记录位置。
3. 数据分析方法
研究者使用多种方法分析神经数据，包括： - 选择性指数（Selectivity Index, SI）：用于量化神经元对抽象规则和具体规则的选择性。 - 伪群体解码（Pseudopopulation Decoding）：通过模拟神经群体的活动来解码规则信息。 - 自适应格兰杰因果分析（Adaptive Granger Causality, AGC）：用于分析丘脑与PFC之间的因果影响。
4. 模型构建与验证
为了进一步验证实验结果，研究者构建了一个PFC-基底节-丘脑模型，模拟了抽象规则的选择和维持过程。模型使用漏积分-发放神经元（Leaky Integrate-and-Fire Neurons）来模拟神经活动，并通过模拟丘脑损伤来验证其对PFC规则表征的影响。
主要结果
1. 丘脑在抽象规则选择中的主导作用
研究发现，抽象规则信息首先出现在丘脑腹前核（VA），随后传递到前额叶皮层（PFC）。具体而言，VA神经元在抽象规则提示出现后100毫秒内就表现出选择性，而PFC神经元的选择性则出现在250毫秒后。这表明丘脑在抽象规则的选择中起到了主导作用。
2. 丘脑与PFC的动态交互
通过自适应格兰杰因果分析，研究者发现丘脑对PFC的因果影响在抽象规则提示出现后显著增加，并在随后的延迟期内保持较高水平。这表明丘脑不仅在规则选择中起主导作用，还在规则维持中与PFC形成动态交互。
3. 具体规则的表征
与抽象规则不同，具体规则的表征首先出现在PFC，随后才在丘脑中表现出来。这表明，一旦抽象规则被确立，PFC能够有效地将后续输入转化为具体规则和响应。
4. 丘脑损伤对PFC规则表征的影响
通过模拟丘脑损伤，研究者发现VA或MD的损伤会显著降低PFC对抽象规则的表征能力。特别是，VA损伤会导致PFC在延迟期内的规则信息解码准确率降至随机水平，而MD损伤则会影响PFC在延迟期内的规则维持。
结论与意义
本研究揭示了丘脑在认知控制中的关键作用，特别是其在抽象规则选择和维持中的主导地位。通过与PFC的动态交互，丘脑能够从高维度的皮层表征中选择相关信息，并将其反馈给PFC，从而影响后续的任务处理。这一发现不仅深化了我们对认知控制神经机制的理解，还为相关神经精神疾病的治疗提供了新的思路。
研究亮点
- 首次揭示丘脑在抽象规则选择中的主导作用：研究发现丘脑腹前核（VA）在抽象规则选择中表现出最早的选择性，挑战了传统认为PFC是规则选择中心的观点。
- 丘脑与PFC的动态交互机制：通过自适应格兰杰因果分析，研究者首次量化了丘脑与PFC在规则选择和维持中的动态交互。
- 多层次模型验证：研究者构建的PFC-基底节-丘脑模型不仅验证了实验结果，还通过模拟丘脑损伤进一步阐明了其对PFC规则表征的影响。
其他有价值的信息
研究还发现，丘脑在行为结果的早期表征中也起到了关键作用。特别是在错误试验中，丘脑对抽象规则的表征显著降低，进一步支持了丘脑在认知控制中的重要性。
这篇研究通过多层次的实验和模型验证，深入揭示了丘脑在认知控制中的关键作用，为我们理解大脑如何选择和执行规则提供了新的视角。