決策，決策。無論有沒有意識到，我們每時每刻都處在決策當中。從出門穿什麼衣服，吃什麼東西和如何度過週末，到用哪隻手拿筆，要不要調整一下重心，讓自己坐得更舒服……哪怕對於最微不足道的決策，我們的大腦都會在一系列“如果”中仔細挑選，掂量每一種可能的未來。即使做出的是貌似無意識的選擇，例如從飛馳而來的車輛前躲開，大腦也在基於過去的經歷做出預測，來指導行為。
在2020年1月發表於《細胞》的一篇文章中，加州大學舊金山分校（UCSF）的研究人員在大鼠進行決策的一瞬間窺探它們的大腦，觀察神經元迅速比對面前的可選項。他們描述的機制可能不僅僅適用於具體的決策行為，在動物發揮創造力，設想更為抽象的可能性時，這些機制也許也參與其中。
在加州大學舊金山分校的神經科學家勞倫·弗蘭克（Loren Frank）帶領下，他的課題組研究了海馬腦區——那個形狀像海馬的，與空間定位、存儲和提取記憶相關的腦區——中的神經元活動。他們對那些叫做位置細胞（Place Cell）的神經元格外關注，因為當動物在空間中移動的時候，這些被稱為“大腦的GPS”的細胞能夠在腦中描繪動物的位置。
已經有研究證明，當動物在環境中移動時，位置細胞會快速依次放電。這種電活動不僅反映了動物的實際位置，也與動物的前後位置移動相對應：按照空間順序，表徵動物身後到表徵動物身前的位置細胞依次放電，彷彿在掃描一條空間軌跡。（有研究證明這些向前的移動也包含著目標或獎賞位置相關的信息。）與這種神經活動的模式被稱為θ週期（Theta Cycles，又稱θ振盪、θ腦電波等），在大鼠大腦中以每秒鐘重複大概八次的頻率，為它們表徵著不斷更新的路徑信息。
弗蘭克和他的團隊發現，當某個動物將要採取行動時，與θ週期相關的神經活動會交替呈現不同的潛在道路——不僅僅是為了對未來做出預測，而且以一種高速的、循環往復的模式，從未來豐富的行為可能中抽取樣本進行檢驗。
腦電波中的備選情境
研究人員訓練大鼠在W形迷宮中選取不同的路線，並同時記錄它們位置細胞的電活動。這些大鼠從迷宮中央的通道中跑過，接著向左或向右轉彎。但是，當它們將要決定向哪個方向轉彎時，研究人員注意到了大鼠位置細胞活動的奇怪之處——
這些大鼠處於迷宮中心的通道，一些位置細胞在它們將要（和正在）左轉時放電，而其他位置細胞在它們將要（且正在）右轉時放電。按照邏輯，因為這些細胞的共同活動反映著動物當前的位置，兩種細胞應當在大鼠接近轉向點時同時放電。但事實卻不是這樣。
實際上，這兩種細胞交替放電。就好像在動物決定採取某一條道路之前，它們的海馬區交替處理著 “向左”還是“向右”的抉擇信息，並一直保持著兩者的獨立性。
“大腦努力地把它們分開，”弗蘭克說，“問題是大腦為什麼要這麼做。”
當大鼠將要決定向哪個方向轉彎時，它腦內的兩種位置細胞並非同時放電，而是交替放電。
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Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
明尼蘇達大學的神經科學家大衛·雷迪什（David Redish）和已故的亞當·強森（Adam Johnson）曾經有過類似的發現——動物在迷宮中尋找方向時，位置細胞來回掃描著潛在的可能，但這些活動變化似乎與更需要深思熟慮的行為相關。這兩位研究人員並沒有進一步研究，神經元對於“左右抉擇”的表徵是隨機出現的，還是有序出現的。
與此不同的是，弗蘭克的課題組所發現的“左右抉擇”現象精確地與θ週期的每一個週期重合。海馬在θ週期的一個週期中表徵左轉的信號，而在下一週期中轉換為右轉的信號。雖然實驗中這兩種信號並不總是完美地相互轉換，偶爾某一種信號會持續出現幾個週期。但是信號的整體結構是無可辯駁的。每個持續125毫秒的週期似乎都將大腦對於未來的不同假設，分割為持續而穩定的整體構架。
“最讓人驚歎的是其中的規律性。這真的很神奇。”紐約大學醫學院的神經科學家傑爾吉·布扎薩基（György Buzsáki）評論稱，“每個週期與表徵的決策是一對一的：一個週期表徵左轉，另一個週期表徵右轉，左右不斷交替。”他認為，這種高度結構化排列的優點可能在於，
每個預測都以相同的可能性被有序地檢驗。弗蘭克和同事們進一步研究θ週期的神經活動發現，每個週期的開始與大鼠目前的位置相關，接著表徵左轉還是右轉的選擇。整體的結構看起來是這樣的：目前的位置，左轉的可能性，目前的位置，右轉的可能性，以此類推。
一切可能都在備選範圍之內
實驗數據還出現了其他有趣的模式。研究人員發現，θ週期不僅僅在大鼠左轉或右轉的抉擇間來回轉換，而且有時個別循環可能包含了大鼠改變路徑的可能。這個發現令人疑惑，因為在那些時刻大鼠其實並不需要考慮這個選擇。
哥倫比亞大學的博士後研究員，《細胞》論文的第一作者肯尼思·凱（Kenneth Kay）認為，這一事實與“海馬的功能僅限於僅預測動物將遭遇到什麼”的觀點背道而馳。他說，“這表明θ週期的組成可能是將海馬可以編碼的各種事物聯繫起來的普遍方式。”
對於這個問題，弗蘭克認為，“這看起來像是非常明顯地表示了思考的過程——如果我轉向這邊會發生什麼呢？這值得我轉過來嗎？”
- Tishk Barzanji -
因此，θ週期編碼假設時可能具有更為一般的目的。麥吉爾大學的神經科學家馬克·布蘭登（Mark Brandon）認為，
每個循環的週期“都包含特定的內容”。編碼於θ振盪125毫秒週期中的，可能是簡單的“左右抉擇”，也可能是廣義上的一段記憶，或發生過的特定事件。雷迪什未參與新研究，但認同這一觀點：“這不僅僅是空間的表徵，還代表某種事件結構，實質上關乎考慮你現有的選擇。”
研究人員說，也許θ週期是海馬用來查看抽象選擇的基本計算單元。在大多數情況下，θ週期的內容很可能基於過往經驗，使動物對變化的環境作出快速而靈活的反應，比如逃避捕食者。但是論文的第一作者肯尼思·凱說，“我們的工作同時也表明，這個週期可能並不會為片刻後的反應提供明確的指導。它的作用可能會發揮在創造力中，在更為廣泛的生成或想象的過程中。”
- Leonardo Santamaria -
這種可能性重新定義了海馬的功能：它不僅是一個記憶腦區，通過記憶來幫助決策，也是一種學習腦區——它可以想象未來並從其中採樣，也可以模擬選項，讓其他腦區的評估與行動。而θ週期似乎是闡明海馬工作原理的明確切入點。
θ週期也可能對理解其他認知過程或神經系統疾病至關重要。通常，研究神經過程會將每一實驗試次中的神經元活動平均化。而弗蘭克和他的合作者們則證明了解析更小的時間尺度中的信息的重要性。
研究人員正在探索引起觀察到的交替模式的機制，以及這種活動在決策過程中如何影響大腦的其他部分。他們也在進行著包含兩個以上可能選擇的迷宮實驗。儘管齧齒動物的大腦節律與人類不同，但研究人員希望他們的發現對其他物種也同樣適用。
凱說：“想想就很有意思，我們只是剛剛在理解認知與想象的精細時間尺度上，邁出了小小的第一步。”
作者：Jordana Cepelewicz | 封面：Tishk Barzanji
譯者：Eureka | 審校：顧金濤、曹安潔 | 排版：小葵花
原文：
https://www.quantamagazine.org/in-brain-waves-scientists-see-neurons-juggle-possible-futures-20200224/
