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北大研究新突破 | 大脑受伤后,如何弥补失去的功能?

必威官网:2019-02-22 10:35  编辑:  来源:

  近日,我校心理与认知科学学院朱露莎研究组与其他相关机构合作在《自然通讯》杂志上发表了关于“策略性学习”能力的研究,为诊断社会认知障碍这类疾病提供了新的视角。

  大家的大脑受伤后,如何适应、调整、乃至弥补所失去的功能?中风或神经退行性疾病会损坏大脑基底神经节(basal ganglia)的功能。它是位于大脑深部的神经核团,接受多巴胺能神经元的投射,在运动、奖赏、强化学习和决策等众多领域都起着关键作用。有趣的是,基底神经节受损之后,虽然很多基本的决策功能会遭到破坏,但一些重要的社会决策能力却得以幸免,表现出一定的“韧性(resilience)”。必威官网心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心朱露莎课题组与加州大学伯克利分校的许明、Robert Knight教授合作,利用脑损伤病人,结合博弈实验和计算建模等方法,研究了基底神经节受伤后,大脑如何通过调用基于其他脑区的“计算程序”,来弥补被破坏了的决策功能。

  该研究着眼于“策略性学习”的能力。所谓“策略性”决策,是类似于踢点球、玩石头剪刀布一类的行为。这些行为的结果不仅取决于大家自己的选择,还取决于他人的决定。因此,要进行合理的选择,大脑既需要表征决策环境中相关的奖惩信息,又需要预测他人的行为及其可能的后果。而当大家反复多次进行决策——比如踢多轮点球时,大脑还需要从积累的经验中提取有用的信息,引导后续选择,这就是所谓的“策略性学习”。策略性学习是社会行为中一种非常重要的能力,以往的脑成像研究表明它与基底神经节的活动密切相关。

  研究者比较了基底神经节局部受损的病人和健康参与者在策略性学习中的表现,发现这两类参与者的表现没有显著差别,都能够灵活调整自己的选择。然而,这种决策能力的韧性仅存在于社会情境下,当参与者面对一台计算机进行同样的决策实验时,病人和健康参与者的行为则出现了明显差异。



脑损伤区域与计算模型结果


  为什么基底神经节受伤,会损害看似简单的非社会情境下的学习决策能力,但不影响看似更为复杂的社会互动中的行为?研究者猜想,策略性学习也许可以通过并行的“计算程序”实现,一种“程序”依赖于基底神经节对奖惩信号的追踪,而另一种则依赖于前额叶皮层对社会信息的处理。基底神经节损伤后,大家的大脑为了弥补前一种计算能力的缺失,调用了源于前额叶皮层、更加高阶和社会性的“程序”来完成策略性行为。然而,一旦社会情境消失,无法借助相关的社会信息推断他人决策时,大脑便不再能启动社会性的“程序”,从而导致了基底神经节受伤的病人在人机互动中的异常行为。通过计算建模,研究者比较了不同条件下不同人群的决策行为背后的学习算法,从计算层面为这一猜想提供了科学支撑。


计算模型示意图


  这一研究展示了社会学习决策能力的韧性及其背后的神经基础,首次通过因果证据说明了策略性学习可能被并行的神经计算过程支撑,其中一部分依赖于社会情境。这一结果也对临床研究,特别是像帕金森病、亨廷顿舞蹈症等和基底节相关的神经退行性疾病,有着启发意义。例如,为了帮助那些决策能力受损的病人更好地进行选择,也许可以引导他们把不确定环境下的选择想象成某种和他人互动的过程。又如,对于一部分出现社会认知障碍的病人,本研究结果暗示,或许是基底神经节与前额叶连接的异常,而非基底节本身的损伤,导致了这些社会障碍,为这类疾病的诊断提供了新的视角。

  该研究于2019年2月18日发表在《自然通讯》杂志。朱露莎为该文的第一编辑。必威官网心理学院博士研究生江曜民、加州大学伯克利分校Robert Knight教授为该文作出了重要贡献。朱露莎和许明教授为该文的共同通讯编辑。该研究得到了国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心的资助。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-08766-1

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