大腦有300多個區(qū)域協(xié)同工作，處理感覺、決策和行動，最終產(chǎn)生連貫行為，但它們如何“分工合作”仍是個謎。過去研究多靠電極記錄動物腦活動，但技術限制只能零散探索少數(shù)腦區(qū)。奇怪的是，有時“關閉”某個關鍵腦區(qū)動物行為卻幾乎不受影響，說明大腦可能有備份或協(xié)同網(wǎng)絡。

基于此，2025年9月3日，斯坦福大學Ilana B. Witten研究團隊在Nature雜志發(fā)表了“A brain-wide map of neural activity during complex behaviour”揭示了復雜行為期間全腦神經(jīng)活動圖譜。

在此報告了一項綜合性研究，作者使用了699個Neuropixels探針共記錄了來自12個實驗室的139只小鼠的621,733個神經(jīng)元活動。探針覆蓋了左前腦，中腦以及右后腦和小腦的279個腦區(qū)。對這一全腦神經(jīng)活動圖譜進行了初步評估并分析了神經(jīng)活動如何編碼關鍵任務變量。視覺刺激的表征在刺激出現(xiàn)后短暫地出現(xiàn)在經(jīng)典的視覺區(qū)域，隨后擴散到中腦和后腦的一系列區(qū)域，這些區(qū)域也編碼了選擇信息并表現(xiàn)出逐漸增強的活動模式。

 圖一 IBL任務、數(shù)據(jù)類型和行為 

作者首先訓練小鼠執(zhí)行決策任務。在每次試驗中，一個視覺刺激出現(xiàn)在屏幕的左側或右側，小鼠必須在60秒內用前爪轉動輪子將刺激移動到屏幕中央。

在訓練小鼠完成感知決策任務時，每個試驗塊中刺激出現(xiàn)在左側或右側的先驗概率固定為20:80或80:20，塊長隨機（20–100次），切換無提示。刺激對比度有5個等級，0%對比度時無視覺輸入，但小鼠可依據(jù)當前塊的偏向概率做選擇。通過飲水獎勵或白噪音反饋進行學習。

小鼠學會利用先驗信息和視覺線索，整體正確率達81.4%，高對比度下表現(xiàn)更好、反應更快；即使無刺激正確率仍達58.7%。塊切換后需5–10次試驗調整行為。此外，小鼠的選擇受先驗概率影響明顯。即使有視覺刺激，在左塊中更傾向選左，右塊中更傾向選右，表明其決策融合了感覺輸入與概率預期。

 圖二 行為過程中的全腦記錄 

在這些小鼠中，作者插入了699個Neuropixels探針覆蓋了前腦和中腦的左半球。

數(shù)據(jù)由歐美12個實驗室共同采集，多數(shù)使用雙探針同步記錄。每只小鼠固定記錄特定腦區(qū)，僅保留試驗量≥400次的實驗用于分析。所有數(shù)據(jù)經(jīng)預處理后集中共享。

作者共識別出62萬多個信號單元，經(jīng)嚴格質控篩選出7.5萬多個清晰分離的單神經(jīng)元（平均每個探針108個）。通過雙光子顯微鏡重建探針軌跡，將每個神經(jīng)元定位至艾倫腦圖譜中的具體區(qū)域。

行為數(shù)據(jù)通過三攝像頭和旋轉編碼器采集，結合DeepLabCut等工具提取輪速、胡須運動、舔舐、身體姿態(tài)等信息。

 圖三 選擇的表征 

接下來，作者研究了大腦中哪些區(qū)域表征了小鼠的選擇以及這些表征出現(xiàn)的先后順序。

在靈長類動物的頂葉、額葉和前運動皮層區(qū)域，已觀察到與選擇相關的活動，其中許多神經(jīng)元表現(xiàn)出與證據(jù)累積一致的逐漸增強的活動。

研究發(fā)現(xiàn)，大腦在決策過程中廣泛表征“即將向左或向右行動”的選擇信息，且這種表征不僅存在于額頂皮層，更廣泛分布于皮層下區(qū)域。解碼分析顯示，能解碼動物選擇的腦區(qū)多于解碼視覺刺激的腦區(qū)，最強信號出現(xiàn)在后腦、丘腦、中腦、下丘腦和小腦。在動作發(fā)起前100毫秒，許多腦區(qū)的神經(jīng)群體活動已能預測選擇。

單神經(jīng)元分析發(fā)現(xiàn)，4%的神經(jīng)元在控制視覺刺激和任務概率等變量后，仍編碼選擇方向，其中后腦、小腦、中腦和丘腦的比例最高。許多皮層下神經(jīng)元（如延髓GRN）對選擇有強響應，卻不響應視覺輸入，說明其編碼的是決策本身而非感覺。

群體軌跡分析進一步顯示，左與右選擇的神經(jīng)活動軌跡在多個腦區(qū)分離，尤其在GRN等腦干區(qū)域最明顯，表明這些區(qū)域在決策或動作準備中起關鍵作用。

時間分析表明選擇信號最早在丘腦和皮層同步出現(xiàn)，隨后擴展至全腦。不同腦區(qū)參與時機不同：例如，VISam和VISal在所有反應中都參與運動編碼，而海馬CA1和下托僅在反應較慢的試驗中活躍；某些皮層下區(qū)域（如PAG）則主要在快速反應中起作用。

綜上，決策并非僅由皮層主導，而是依賴一個廣泛分布的皮層-皮層下網(wǎng)絡，其中腦干、小腦和丘腦等區(qū)域表現(xiàn)出更強、更早的選擇信號，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)“皮層中心”的決策模型。

總結

本研究繪制了小鼠執(zhí)行復雜決策任務時全腦范圍的神經(jīng)活動圖譜，揭示了傳統(tǒng)“皮層中心”決策模型之外的廣泛神經(jīng)基礎。研究發(fā)現(xiàn)，選擇信息不僅存在于額頂皮層，更在丘腦、腦干、小腦等皮層下區(qū)域表現(xiàn)出更強、更早的編碼能力，凸顯了分布式神經(jīng)網(wǎng)絡在行為形成中的核心作用。通過標準化的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集與分析，首次系統(tǒng)展示了決策信號在全腦的時空動態(tài)，挑戰(zhàn)了對決策機制的傳統(tǒng)認知，為理解大腦如何整合感覺、先驗與動作信息提供了全景式框架，也為神經(jīng)疾病中決策障礙的機制研究奠定了重要基礎。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09235-0

閱讀原文