腦認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)*

李澄宇　楊天明　顧 勇　王立平　徐寧龍　崔 翯　王佐仁** 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所 上海 200032 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 上海 20003

腦認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)*

李澄宇1，2楊天明1，2顧 勇1，2王立平1徐寧龍1，2崔 翯1王佐仁1，2**
1 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所 上海 200031
2 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 上海 200031

動物都需要認(rèn)識和學(xué)習(xí)外界環(huán)境因素，并根據(jù)價(jià)值與風(fēng)險(xiǎn)做出抉擇與行動；社會動物還必須有社會認(rèn)知、共情、社會交往等社會行為能力；而人類有發(fā)達(dá)的自我認(rèn)知、邏輯推演、意識、語言等能力。動物認(rèn)知能力的好壞，決定了動物在野外是否能夠成功覓食、躲避天敵、繁衍后代；而人類認(rèn)知能力，則決定了個(gè)人的人生軌跡、自我價(jià)值實(shí)現(xiàn)乃至對社會的貢獻(xiàn)。所有這些認(rèn)知行為都是由神經(jīng)細(xì)胞的功能來決定，其神經(jīng)基礎(chǔ)是腦科學(xué)的核心問題，也是人類認(rèn)識自身的終極挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年的研究，神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)揭示了認(rèn)知行為神經(jīng)基礎(chǔ)的一些基本原理：不同認(rèn)知行為是由腦內(nèi)不同的神經(jīng)環(huán)路負(fù)責(zé)，需要各腦區(qū)內(nèi)的局部神經(jīng)環(huán)路與腦區(qū)間長程神經(jīng)環(huán)路的協(xié)同工作；學(xué)習(xí)與記憶是許多認(rèn)知功能的必要基礎(chǔ)，這是由神經(jīng)細(xì)胞之間突觸聯(lián)結(jié)的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的可塑性介導(dǎo)；神經(jīng)調(diào)質(zhì)（例如多巴胺）可以在多個(gè)尺度上調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動與可塑性，從而調(diào)控認(rèn)知行為。文章聚焦在感知覺、學(xué)習(xí)與記憶、抉擇、社會行為、意識和運(yùn)動控制等方面，對認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)進(jìn)行了概述。我們認(rèn)為，未來神經(jīng)科學(xué)需要結(jié)合介觀和微觀尺度的研究，對認(rèn)知行為的神經(jīng)基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)與深入的闡明。在介觀層面，科學(xué)家們需要描繪腦區(qū)之間細(xì)胞類型特異性的聯(lián)結(jié)圖譜；繪制認(rèn)知功能的大腦功能圖譜；利用因果性手段、揭示認(rèn)知功能的核心腦區(qū)；操控不同腦區(qū)及腦區(qū)間聯(lián)結(jié)的活動，進(jìn)而觀察認(rèn)知行為的改變和其他參與環(huán)路的活動變化，從而獲得腦整體動態(tài)規(guī)律。在微觀層面，需要闡明不同腦區(qū)有哪些特定類型的神經(jīng)元；揭示不同類型神經(jīng)元是如何參與特定認(rèn)知功能的；解析不同類型的神經(jīng)元是如何聯(lián)結(jié)以及這些聯(lián)結(jié)是如何在認(rèn)知行為中發(fā)生動態(tài)改變的。這些介觀與微觀研究將為理解宏觀認(rèn)知行為的神經(jīng)基礎(chǔ)提供重要線索，對于破解人類智能這一終極奧秘具有重要意義。同時(shí)，揭示認(rèn)知行為的神經(jīng)機(jī)制還是治療腦疾病的必要基礎(chǔ)，而且有助于推動腦啟發(fā)（Brain Inspired）的智能技術(shù)的發(fā)展。

認(rèn)知，神經(jīng)基礎(chǔ)，感知覺，學(xué)習(xí)與記憶，抉擇，社會行為，意識，運(yùn)動控制

人腦是智力演化的偉大奇跡，也是人類認(rèn)識世界和改造世界最關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)。科學(xué)界對腦認(rèn)知功能的研究在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，也產(chǎn)生諸多新的研究熱點(diǎn)。動物的認(rèn)知功能有 3 個(gè)層面。第一層面的認(rèn)知是對外界事物的基本認(rèn)知功能，這是許多動物生存必需具有的能力，包括對外界刺激的感覺和知覺、對有重要性的外界事物的注意、在多種可能采取的行為之間作出抉擇、對外界事物的概念和功能進(jìn)行分類等。對這些認(rèn)知功能的研究可使用各種模式動物，包括線蟲、果蠅、斑馬魚、大鼠、小鼠、貓、猴等。第二層面的認(rèn)知是對自我與非我的認(rèn)知，這是動物社會行為的基礎(chǔ)，包括自我意識、同情心、同理心、理解他人意圖的能力（Theory of Mind）。這些能力演化到靈長類有了大幅度的進(jìn)展，非人靈長類（如狨猴和獼猴）可能是最好的研究模型。第三個(gè)層面的認(rèn)知是邏輯思維和對語言的認(rèn)知。只有人類才具有復(fù)雜的邏輯思維（如數(shù)學(xué)運(yùn)算）和使用有句法、文法、無限開放式的語音交流。研究這些人類特有的認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制，只有使用非侵入性的手段對人類進(jìn)行研究；在非人靈長類轉(zhuǎn)入人類基因有可能對這些人類功能的演化過程有所理解。而所有認(rèn)知功能的目的就是使動物能產(chǎn)生合適的行為，而行為需要有運(yùn)動系統(tǒng)來進(jìn)行。因此，認(rèn)知系統(tǒng)與運(yùn)動系統(tǒng)信息的轉(zhuǎn)換與耦合是一個(gè)重要課題。本文將對各個(gè)層面的認(rèn)知功能和運(yùn)動系統(tǒng)的研究途徑作一簡述。

1 感知覺

感覺（Sensation）是人腦對直接作用于感受器的客觀事物個(gè)別屬性的識別。知覺（Perception）是大腦對直接作用于感覺器官的客觀事物整體屬性的反映。感知覺是動物獲取外界信息的手段，也是人類認(rèn)識世界的前提。

1.1視聽感知

視覺和聽覺是人類最主要的兩種感覺系統(tǒng)。人類對外界信息以及知識的獲取主要通過視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；而人類之間的交流則主要通過聽覺系統(tǒng)和語言系統(tǒng)來完成。視覺通路起始于眼球的視網(wǎng)膜。視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞將光強(qiáng)和顏色信息轉(zhuǎn)變成電信號后，由視神經(jīng)經(jīng)外側(cè)膝狀體投射到初級視皮層，再經(jīng)腹側(cè)通路和背側(cè)通路傳遞到高級腦區(qū)。腹側(cè)通路常被稱為“內(nèi)容通路”（“What” Pathway），參與物體識別，例如面孔識別。背側(cè)通路常被稱為“空間通路”（“Where”Pathway），參與處理物體的空間位置信息以及相關(guān)的運(yùn)動控制。視知覺的產(chǎn)生，不僅依賴于由下至上（Bottomup）的信息傳遞，也依賴于由上至下（Top-down）的調(diào)節(jié)。

視覺感知的研究首先希望闡明以下幾方面的基本原理：顏色知覺的機(jī)理，空間視知覺和視覺細(xì)胞感受野的起源，立體視覺（亦叫深度知覺）的生理機(jī)制，運(yùn)動知覺的神經(jīng)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，研究者進(jìn)一步開展了復(fù)雜圖的識別（包括面孔識別），視覺錯(cuò)覺的產(chǎn)生機(jī)制等研究。一個(gè)物體的不同方面的視覺信息是由腹側(cè)和背側(cè)通路分開傳遞的，而我們看到的卻是一個(gè)完整的物體，大腦如何將這些視覺信息整合成一個(gè)整體，是視覺研究的一個(gè)重大課題——視覺特征捆綁問題。

在聽覺方面，內(nèi)耳的聽小毛將聲波轉(zhuǎn)變成電信號，然后耳蝸將不同頻率的聲波信號進(jìn)行分離，經(jīng)過聽覺神經(jīng)通路將聲音信號按照頻率分布傳遞到初級聽皮層，然后再向高級腦中樞傳遞。聽覺系統(tǒng)不僅要識別聲音的3種基本特性：響度、音調(diào)和音色，更重要的是要識別聲音的復(fù)雜模式。感知覺的信息處理常包含了對特殊信息的注意。例如在一個(gè)雞尾酒會上，雖然人聲嘈雜，然而人們?nèi)匀荒軌蛱暨x出與自己對話者的聲音，這就是“雞尾酒會效應(yīng)”。雙耳聽覺在立體定位（尤其是一些動物）中發(fā)揮重要作用。這種對感知覺的注意，是目前感知覺研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

1.2空間感知

人可以借助多種感覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)空間感知。視覺系統(tǒng)不僅可以判別物體在視野中上下左右的位置，亦可通過雙眼視差的信息來感知物體在空間中深度上的位置（圖 1）。與此類似，聽覺系統(tǒng)亦可以通過雙耳聽覺的機(jī)制來判斷聲音在三維空間中的來源方位。除了視聽系統(tǒng)，前庭系統(tǒng)亦在空間感知方面發(fā)揮重要作用，具體包括調(diào)整自身在空間中的平衡狀態(tài)和指導(dǎo)機(jī)體在空間中的運(yùn)動路徑。空間感知的核心問題是：人如何利用各種感覺系統(tǒng)提供的空間信息，結(jié)合自身的本體感覺，建立一個(gè)內(nèi)在的坐標(biāo)系，指導(dǎo)自身的定位和導(dǎo)航。近年來的研究熱點(diǎn)包括海馬中的位置細(xì)胞（Place Cell），內(nèi)嗅皮層的網(wǎng)格細(xì)胞（Grid Cell）以及頭朝向細(xì)胞（Head Direction Cell）。這些神經(jīng)元具有顯著的與空間感知相關(guān)的放電特征，因此被廣泛認(rèn)為是大腦中負(fù)責(zé)空間定位以及導(dǎo)航功能的神經(jīng)細(xì)胞。

圖1　猴子利用視覺和前庭覺來判斷運(yùn)動方向的實(shí)驗(yàn)

1.3多模態(tài)感知整合

我們試想一個(gè)場景：一個(gè)人用手指指向一只正在發(fā)出叫聲的貓。那么他的視覺系統(tǒng)所看到的信息，聽覺系統(tǒng)所聽到的信息，以及本體感覺（手指）所獲取的信息，都同時(shí)指向一個(gè)物體——那只貓。人類生活在一個(gè)豐富多彩的世界中，時(shí)刻接受外界的各種信息。這些信息有時(shí)是一致的，有時(shí)是相互矛盾的。大腦如何將不同模態(tài)的感知信息整合起來從而作出最優(yōu)化的判斷，是腦科學(xué)的重大基礎(chǔ)問題。多模態(tài)感知整合必定涉及多個(gè)腦區(qū)，這些腦區(qū)之間通過何種機(jī)制實(shí)現(xiàn)協(xié)同與競爭，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1.4注意

注意，是大腦幾種優(yōu)勢資源優(yōu)先處理最重要任務(wù)的一種能力。注意的功能包括警覺狀態(tài)的維持、意識的導(dǎo)向以及執(zhí)行控制等方面。上面提及到的“雞尾酒會效應(yīng)”，就是典型的聽覺注意現(xiàn)象——在眾多的嘈雜聲音中，人們可以排除干擾，挑選出自己想要聽的對話。大腦時(shí)時(shí)刻刻接受不同模態(tài)的信息輸入，就可能要通過心理資源分配來優(yōu)先處理其中的某些信息，于是就產(chǎn)生了選擇性注意。注意的理論不僅有傳統(tǒng)的朝向反射理論和注意的過濾器理論，也有包含 Bottom-up 和 Top-down 多層次機(jī)制的現(xiàn)代理論。目前，腦認(rèn)知科學(xué)對注意的研究更加著重于注意的調(diào)節(jié)過程。

2 學(xué)習(xí)與記憶

學(xué)習(xí)與記憶是人類和動物認(rèn)識世界的基礎(chǔ)之一。按照其維持時(shí)間的長短，記憶可以分為長時(shí)程記憶與工作記憶（短時(shí)程記憶）。闡明它們的神經(jīng)機(jī)制具有重大意義。

2.1長時(shí)程記憶

長時(shí)程記憶包括“陳述式記憶”與“非陳述式記憶”。這兩類長時(shí)程記憶都包括獲取、存儲、提取、鞏固等多個(gè)過程。在理論層面，赫波（Hebb）等人創(chuàng)造性地提出神經(jīng)元之間的突觸聯(lián)結(jié)可以被神經(jīng)元的活動所改變的假說。這一假說被細(xì)胞層面的突觸可塑性所證明，海馬等突觸強(qiáng)度會隨著神經(jīng)元活動而變化，即“長時(shí)程增強(qiáng) LTP”與“長時(shí)程減弱 LTD”現(xiàn)象；突觸可塑性可以被高頻或低頻神經(jīng)元活動誘發(fā)，也依賴于突觸前后神經(jīng)元發(fā)放動作電位的不同時(shí)序（STDP）；在行為層面，突觸可塑性的發(fā)生伴隨著長時(shí)程記憶的獲取。在分子機(jī)制方面，突觸可塑性的發(fā)生依賴于鈣離子、激酶、蛋白質(zhì)合成等多種機(jī)制。除了突觸強(qiáng)度之外，樹突棘（突觸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）的大小也會隨著神經(jīng)元活動及長時(shí)程記憶的獲取和消退而發(fā)生相應(yīng)的改變。

長時(shí)程記憶的未知機(jī)制主要在微環(huán)路與介觀環(huán)路水平。在微環(huán)路水平，需要揭示不同類型的細(xì)胞怎樣參與長時(shí)程記憶的獲取、提取、鞏固、消退等過程，以及特定類型的細(xì)胞之間的突觸功能與結(jié)構(gòu)的可塑性如何介導(dǎo)動物行為的變化。在全局環(huán)路層面，還需要闡明很多重要的未知：在同一個(gè)腦區(qū)中存儲的長時(shí)程記憶之間相互干擾的神經(jīng)機(jī)制；序列學(xué)習(xí)這一語言等高級腦功能基礎(chǔ)的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制；記憶消退的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制及如何避免消退；神經(jīng)調(diào)質(zhì)（如多巴胺）參與長時(shí)程記憶的規(guī)律及其環(huán)路機(jī)制；單次經(jīng)歷就可以形成的長時(shí)程記憶的神經(jīng)機(jī)制；以及成癮等病理性學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制等。

2.2工作記憶

大腦需要在線、實(shí)時(shí)地存儲和操作信息，從而在快速變化的環(huán)境中作出合理的行為，這一過程就是工作記憶。工作記憶在日常生活中被頻繁地使用：簡單的比如進(jìn)行數(shù)學(xué)心算、憑記憶在手機(jī)中輸入一個(gè)電話號碼；復(fù)雜的例如在腦中組織各種信息，從而完成一個(gè)項(xiàng)目的規(guī)劃。工作記憶的能力與智商相關(guān)，其缺陷出現(xiàn)在精神分裂癥、阿爾茲海默癥等多種腦疾病中，而其環(huán)路機(jī)制是腦科學(xué)的關(guān)鍵未知問題之一。

工作記憶的一個(gè)核心特征是在感覺信息消失之后、行為輸出之前，腦內(nèi)內(nèi)在環(huán)路所產(chǎn)生的神經(jīng)元活動需要能夠?qū)崿F(xiàn)信息的存儲。這一任務(wù)被認(rèn)為是通過神經(jīng)元的持續(xù)性發(fā)放完成的，這類發(fā)放廣泛存在于包括前額葉皮層在內(nèi)的環(huán)路中。光遺傳手段已經(jīng)證明在小鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層中存在的持續(xù)性發(fā)放可以在任務(wù)的學(xué)習(xí)階段介導(dǎo)工作記憶的存儲［1］。后續(xù)研究中，應(yīng)運(yùn)用光遺傳和電生理等手段，闡明在全腦尺度有哪些腦區(qū)的延遲期活動對于工作記憶任務(wù)是重要的，并獲得介觀尺度全腦活動圖譜。在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)使用光遺傳等操控手段，在秒級時(shí)間尺度上對工作記憶的神經(jīng)元環(huán)路進(jìn)行因果性分析，闡明不同腦區(qū)的不同類型神經(jīng)元及跨腦區(qū)的投射神經(jīng)元如何參與工作記憶的不同階段。還應(yīng)闡明持續(xù)性發(fā)放的產(chǎn)生機(jī)制，解析不同類型神經(jīng)元的突觸活動、神經(jīng)元的內(nèi)在興奮性、微環(huán)路與腦區(qū)間的回環(huán)聯(lián)結(jié)這些不同尺度的神經(jīng)機(jī)制如何介導(dǎo)持續(xù)性發(fā)放。

工作記憶的另一個(gè)核心過程是信息的操縱，包括在同時(shí)做兩個(gè)任務(wù)時(shí)的注意力切換、任務(wù)切換、對任務(wù)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)、跟蹤任務(wù)進(jìn)程等。這些能力是智能行為的核心過程，而目前對其機(jī)制知之甚少。未來應(yīng)在動物模型中設(shè)計(jì)相應(yīng)的行為學(xué)范式，并應(yīng)用光遺傳和電生理等手段對其微環(huán)路與介觀環(huán)路的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行深入研究。工作記憶與長時(shí)程記憶的核心區(qū)別之一是工作記憶有明確的容量限制（如一般人視覺工作記憶的容量限制是 4 個(gè)），未來應(yīng)通過光遺傳與電生理手段闡明其機(jī)制。這些機(jī)制的闡明可能為我們提供改善和提高工作記憶能力的方法。

3 抉擇

高等動物對外界的反應(yīng)不再僅僅限于簡單機(jī)械的反射，而是能根據(jù)復(fù)雜的環(huán)境、過去的經(jīng)驗(yàn)以及自身需求作出最有利的靈活選擇，即抉擇。抉擇的神經(jīng)機(jī)制的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是大腦是如何運(yùn)用視覺等感覺系統(tǒng)收集并且整合抉擇所需要的信息；二是大腦是如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)行價(jià)值分析，并作出最終的抉擇。

在第一方面的研究中，科學(xué)家們在一系列重要研究中發(fā)現(xiàn)大腦側(cè)內(nèi)頂葉（Lateral Intraparietal Cortex， LIP）在抉擇過程中編碼了用于抉擇的整合信息［2，3］。他們通過訓(xùn)練獼猴根據(jù)帶有噪音的視覺信息進(jìn)行抉擇的研究中發(fā)現(xiàn)，獼猴能夠運(yùn)用累積視覺信息到一個(gè)閾值的策略來有效地進(jìn)行抉擇，而在這過程中，LIP神經(jīng)元的發(fā)放反映了累積的信息含量。隨后，其他研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，其他一些腦區(qū)也參與了這個(gè)過程。這其中包括了前額葉、基底核等重要結(jié)構(gòu)。而且類似的神經(jīng)環(huán)路不僅僅限于處理來自視覺方面的抉擇信息，聽覺、觸覺等感覺在與之相關(guān)的抉擇過程中也能激發(fā)相似的神經(jīng)環(huán)路。

感覺系統(tǒng)可以提供當(dāng)前環(huán)境的狀況。然而根據(jù)這一狀況來評估價(jià)值，是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算過程。比如，一件事物的價(jià)值往往是概率性的。同樣的抉擇，這次會有好的結(jié)果，下次可能會有相反的結(jié)果。因此，大腦不僅需要能夠處理確定的價(jià)值信息，還需要某種機(jī)制來處理概率信息。這個(gè)處理概率信息的神經(jīng)環(huán)路包括了眶額葉、扣帶回、島葉等腦區(qū)［4］。

價(jià)值評估的復(fù)雜性還體現(xiàn)在它的多變。事物的價(jià)值不是一成不變的。食物可能變質(zhì)，貨物可能增值。有的事物由于數(shù)量有限需要盡快爭取，而有的東西在大量獲取之后會失去其價(jià)值。價(jià)值的多變性決定了價(jià)值的評估同時(shí)也是一個(gè)學(xué)習(xí)過程。在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中，大腦根據(jù)所得到的具體反饋來更新對價(jià)值的評估。這一過程被認(rèn)為與中腦的多巴胺系統(tǒng)密切相關(guān)。在大腦獲得了額外的獎勵的時(shí)候，中腦的多巴胺神經(jīng)元會被激活而釋放出多巴胺。相反，如果大腦收到了意外的負(fù)面刺激的時(shí)候，多巴胺神經(jīng)元則會被抑制。中腦的多巴胺系統(tǒng)影響了整個(gè)大腦前額葉等腦區(qū)神經(jīng)元的活性，從而對整個(gè)大腦的價(jià)值評估系統(tǒng)產(chǎn)生影響［5］。

最后，經(jīng)過這些復(fù)雜過程所計(jì)算形成的價(jià)值信息很可能被送至眶額葉（Orbitofrontal Cortex）以及腹內(nèi)側(cè)前額葉（Ventromedial Prefrontal Cortex）與感覺信息進(jìn)行整合，并且最終形成抉擇。電生理和核磁共振的實(shí)驗(yàn)表明，大腦的眶額葉以及腹內(nèi)側(cè)前額葉的神經(jīng)元活性在抉擇過程中表征了抽象的價(jià)值信息［6］。

另外，價(jià)值評估的規(guī)則可能進(jìn)一步造成價(jià)值評估的復(fù)雜性。例如下圍棋的時(shí)候，視覺系統(tǒng)可以相對迅速地給出當(dāng)前棋局的信息，然而由于圍棋規(guī)則決定了棋局的變化非常多，當(dāng)前棋局對于弈者的優(yōu)劣需要通過非常復(fù)雜的計(jì)算才能準(zhǔn)確獲得。這一類評估過程應(yīng)該由前額葉尤其是極葉腦區(qū)（Polar Cortex）所處理，但是其神經(jīng)機(jī)制的細(xì)節(jié)現(xiàn)在還不為人所知［7］。

基于抉擇的神經(jīng)機(jī)制的研究，研究者建立一些計(jì)算模型來解釋大腦的抉擇過程。例如吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、隨機(jī)擴(kuò)散到閾值模型、價(jià)值歸一模型等［8］。這些模型可以解釋一些觀察到的神經(jīng)元特性以及人和動物的抉擇行為。然而在整體層面，人們對大腦抉擇的整個(gè)神經(jīng)環(huán)路依然知之甚少。大量的行為經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究針對人的抉擇行為的研究展示了人的抉擇行為的復(fù)雜性。這一復(fù)雜性的神經(jīng)機(jī)制一方面是由于大腦神經(jīng)環(huán)路的特性所造成，另一方面在個(gè)體之間存在一定差異。對于人和動物抉擇行為的研究也催生了一門被稱作神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)的新興學(xué)科［9］。

4 高等認(rèn)知行為

人類不僅可以認(rèn)識自我，而且可以與同類進(jìn)行分工合作，人類的自我意識和社會行為是形成社會的重要基礎(chǔ)。

4.1意識

意識的起源對我們而言仍舊是迷霧重重。意識的形成，這個(gè)在 19 世紀(jì)不被科學(xué)界所接受的問題， 在認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和腦成像等領(lǐng)域迅速發(fā)展的前提下，現(xiàn)在卻是科學(xué)研究的前沿，是一個(gè)激動人心的領(lǐng)域。大量的實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究取代了以往的單純理論推測，并逐漸產(chǎn)生了例如“全局神經(jīng)工作空間（Global Neural Workspace）”（認(rèn)為意識是在大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的信息共享的一種狀態(tài)）［10］和信息整合理論（Integrated Information Theory）［11］等相關(guān)的神經(jīng)科學(xué)假說。

但很顯然對于意識的腦科學(xué)研究依舊面臨著巨大的挑戰(zhàn)。諸多的重要科學(xué)問題擺在我們面前：嬰兒從何時(shí)開始具有意識？我們是否可以說猴、狗或者海豚等其他動物具有意識？我們是否可以解決自我意識的問題，也即：“我思故我在？”這種自我意識是否是人類獨(dú)有的，是否具有獨(dú)特的大腦神經(jīng)環(huán)路？如果我們可以分析并控制該神經(jīng)環(huán)路，是否意味著我們能夠復(fù)制意識到計(jì)算機(jī)中，從而產(chǎn)生人工智能或意識？中科院神經(jīng)科學(xué)所已經(jīng)率先展開了動物自我意識的探索，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)訓(xùn)練后的獼猴能夠成功地通過自我意識的“鏡子檢測”［12］（圖 2）。目前所掌握的知識可以開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域。僅在中國各地的醫(yī)院里，數(shù)以百萬計(jì)的病人經(jīng)歷著昏迷或植物人的狀態(tài)，他們能否重新獲得意識？如果將我們的腦研究轉(zhuǎn)化為對意識水平的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能否幫助這些病人？這些都將成為研究人員追求意識研究最根本的源動力。

圖2　經(jīng)訓(xùn)練后的獼猴能夠成功的通過自我意識的“鏡子檢測”

4.2共情心

人類所具備的共情能力（Empathy）使我們能夠體會或預(yù)測他人的喜怒哀樂，這是我們情感表達(dá)和社會交往能力中的重要組成部分。大腦研究發(fā)現(xiàn)，我們共情他人的感受所激活的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與直接以第一人稱接受相同感受的網(wǎng)絡(luò)存在著很大的一致性，也即我們的大腦在共情心的表征上也是“感同身受”［13］。我們對于不同認(rèn)知狀態(tài)都具有共情心，已有的腦研究包括了疼痛、恐懼、焦慮、憤怒、悲傷、愉悅、獎賞和尷尬等，而且共情引起的大腦活動的激活會受到其他認(rèn)知環(huán)境（社會群體效應(yīng)等）的影響。目前這些研究結(jié)果均建立在以人為研究對象使用神經(jīng)影像學(xué)手段的基礎(chǔ)上。合理利用高等模式動物，特別是具有社會認(rèn)知能力群居屬性的狨猴上，巧妙開發(fā)出全新的研究行為學(xué)范式，在單個(gè)或群體神經(jīng)元水平上探索共情認(rèn)知的機(jī)制，將成為未來重要的研究領(lǐng)域。

4.3語音交流與語言

相比于復(fù)雜而精細(xì)的視覺和聽覺等神經(jīng)系統(tǒng)，我們對于語言系統(tǒng)腦表征的了解卻是相對粗糙。超過一個(gè)世紀(jì)的腦損傷研究和 20 年來腦成像技術(shù)的發(fā)展，描繪出了對應(yīng)語言和言語的左腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，主要包括顳上回、顳中回后部、緣上回及角回的維尼克區(qū)（Wernicke' s Area）和左額葉下回的布羅卡區(qū)（Broca' s Area）。這兩大腦區(qū)又主要通過弓狀束（Arcuate Fasciculus）相互連接。相比于其他像猩猩和獼猴等高等動物，人類的弓狀束呈現(xiàn)出連接強(qiáng)度和效率的明顯優(yōu)勢，而語言正是人類獨(dú)有的認(rèn)知功能，這意味著維尼克區(qū)和布羅卡區(qū)是語言神經(jīng)環(huán)路的重要部分。

顯然，認(rèn)為語言是僅由兩大腦區(qū)而產(chǎn)生和控制的想法是過于簡單的。其他與聽覺和運(yùn)動相關(guān)的腦區(qū)的貢獻(xiàn)顯而易見，例如我們需要接受聽覺聲音和發(fā)聲說話。而更加重要的是，我們對于語言系統(tǒng)中不同組成元素（音素、音節(jié)、詞和短語等）和句法功能（組詞、從句、疑問詞移位、句法歧義和樹形結(jié)構(gòu)等）所對應(yīng)的精確腦區(qū)的研究還未全面展開。譬如，有研究表明布羅卡區(qū)域內(nèi)就存在超過 10 個(gè)子區(qū)域，這些子區(qū)可能用于編碼句法中不同等級的樹型結(jié)構(gòu)，而它們的具體功能以及相互之間的關(guān)系我們并不了解。所以說，描繪語言精確大腦圖譜將是未來一段時(shí)間內(nèi)重要的研究工作。除此之外，更具有挑戰(zhàn)性的工作為：理解語言表征腦區(qū)中的神經(jīng)環(huán)路和其基本工作原理。換句話來說，我們語言系統(tǒng)中所存在的不同大小和層次的語言元素和句法結(jié)構(gòu)，是否能夠?qū)?yīng)上大腦的基本單元。因此，利用先進(jìn)的轉(zhuǎn)基因和細(xì)胞水平電生理的神經(jīng)科學(xué)手段發(fā)展高等動物模型（獼猴），研究大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和局部環(huán)路如何編碼序列語法結(jié)構(gòu)，這在將來的很長一段時(shí)間內(nèi)是一項(xiàng)極具意義和挑戰(zhàn)的工作。

5 感覺—運(yùn)動轉(zhuǎn)換與運(yùn)動控制

感覺—運(yùn)動轉(zhuǎn)換是指大腦獲得外界信息輸入后經(jīng)過特定的內(nèi)在調(diào)節(jié)與選擇過程產(chǎn)生相應(yīng)動作指令指導(dǎo)行為的過程［14］。該過程形式廣泛，包括本能的反射行為，例如魚類在逼近的陰影視覺刺激下迅速逃跑的行為；也包括復(fù)雜的感知抉擇，例如社交活動中通過辨認(rèn)面孔而決定是否開始交談；還包括精確快速的運(yùn)動控制，例如網(wǎng)球比賽時(shí)通過判斷球速、方向和對手的位置而決定如何揮拍擊打。因此感知—運(yùn)動轉(zhuǎn)換是動物體實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的相互作用的基本關(guān)鍵過程［15］。同時(shí)，感知—運(yùn)動轉(zhuǎn)換也是一切智能系統(tǒng)的基本特征，在智能機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的感知—抉擇—動作是技術(shù)突破的關(guān)鍵。感知—運(yùn)動轉(zhuǎn)換的神經(jīng)機(jī)制研究一直是腦科學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其進(jìn)展對于理解腦高級功能具有關(guān)鍵意義。近年來得益于行為學(xué)技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、光遺傳操控技術(shù)等方面的發(fā)展，通過對多種動物模型的研究，該研究方向得到顯著推進(jìn)，其中最重要的進(jìn)展在于，越來越多的證據(jù)表明從感覺輸入到運(yùn)動輸出之間有精細(xì)復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制，并且對于這些調(diào)節(jié)機(jī)制的細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路機(jī)理也有了更深入的了解。在這方面，我國的神經(jīng)科學(xué)工作者作出了出色的成果，發(fā)現(xiàn)果蠅高級腦區(qū)蘑菇體內(nèi)的神經(jīng)調(diào)質(zhì)多巴胺在果蠅根據(jù)視覺圖像選擇飛行方向時(shí)起關(guān)鍵調(diào)控作用；杜久林研究員實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了斑馬魚在視覺—運(yùn)動轉(zhuǎn)換行為中，下丘腦多巴胺神經(jīng)元以及后腦抑制性中間神經(jīng)元的調(diào)控活動使動物能夠根據(jù)不同的視覺刺激做出適應(yīng)性的行為選擇。

通過感覺運(yùn)動轉(zhuǎn)化形成運(yùn)動計(jì)劃后，大腦還要進(jìn)一步產(chǎn)生詳細(xì)的神經(jīng)指令去驅(qū)動骨骼肌肉系統(tǒng)才能最終產(chǎn)生行為。這一過程中，神經(jīng)系統(tǒng)必須解決一系列計(jì)算和生物力學(xué)難題。

（1）運(yùn)動系統(tǒng)內(nèi)在的復(fù)雜性。哪怕是實(shí)現(xiàn)看似簡單的肢體運(yùn)動，也需要調(diào)動許多塊肌肉通過協(xié)調(diào)性伸縮來使多個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動特定的角度才能完成。從計(jì)算上這是一個(gè)典型的不確定問題，因?yàn)槊總€(gè)運(yùn)動都可以通過無窮多種骨骼肌肉的運(yùn)動組合來實(shí)現(xiàn)，而大腦皮層水平上運(yùn)動計(jì)劃如何通過腦干和脊髓來間接驅(qū)動肌肉組以實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜變換至今還是個(gè)謎。

（2）外界環(huán)境經(jīng)常動態(tài)變化并存在很大的不確定性，并且神經(jīng)傳輸必然引入延遲和噪聲，所以運(yùn)動控制不可能完全依賴感覺通過反饋實(shí)現(xiàn)。因此，目前流行理論認(rèn)為運(yùn)動控制主要是在神經(jīng)系統(tǒng)對外界和自身狀態(tài)建立內(nèi)部模型的預(yù)測基礎(chǔ)上通過前饋方式實(shí)現(xiàn)的，盡管相應(yīng)編碼腦區(qū)和實(shí)現(xiàn)機(jī)制目前還不清楚。

（3）所有的運(yùn)動技能都必須通過有別于事實(shí)性記憶的學(xué)習(xí)機(jī)制獲得，而且運(yùn)動記憶一旦建立就能長期保持還基本不被后來的記憶沖淡。比如，學(xué)會騎自行車后即使很多年沒騎且中間學(xué)了網(wǎng)球和游泳等，再碰自行車也很快就能騎。運(yùn)動記憶必須通過運(yùn)動過程本身才能喚起，這就是為什么優(yōu)秀的運(yùn)動員在上場前也需要做熱身運(yùn)動。近期動物生理和人腦成像的研究表明，大腦皮層多個(gè)腦區(qū)以及整個(gè)小腦都參與了運(yùn)動學(xué)習(xí)，盡管獨(dú)特的運(yùn)動記憶是如何在這一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中涌現(xiàn)出來的我們還知之甚少。

運(yùn)動控制的神經(jīng)機(jī)制不僅是當(dāng)前神經(jīng)科學(xué)的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，而且這個(gè)千百萬年進(jìn)化而來的精巧系統(tǒng)還是神經(jīng)假肢和類腦機(jī)器人開發(fā)的最具借鑒意義的模型之一。通過在獼猴和癱瘓病人運(yùn)動相關(guān)腦區(qū)上的電生理記錄，有多個(gè)國外頂尖實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠通過解碼的神經(jīng)信號來控制人工手臂等以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口。感知—運(yùn)動轉(zhuǎn)換和運(yùn)動控制需要感覺皮層、運(yùn)動皮層、基底核構(gòu)成的復(fù)雜環(huán)路協(xié)同參與的過程仍不明了。其中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)病理性變化就會導(dǎo)致嚴(yán)重的腦功能障礙性疾病，如帕金森氏癥、亨廷頓、強(qiáng)迫癥等。這方面的神經(jīng)解碼研究不僅可以大力推動智能機(jī)器人的開發(fā)，加速制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，同時(shí)也會大力促進(jìn)臨床神經(jīng)假肢的開發(fā)以幫助運(yùn)動障礙病患。

6 結(jié)語

對腦認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)的研究是腦科學(xué)的核心問題，不僅對揭示人類智力基礎(chǔ)的大腦奧秘有重要意義，而且有助于推動腦啟發(fā)（Brain-inspired）的智能技術(shù)的發(fā)展。對感知覺神經(jīng)機(jī)制的理解可以為智能技術(shù)中的模式識別研究提供一些新思路；對立體視覺神經(jīng)機(jī)制的理解有助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)；抉擇、學(xué)習(xí)記憶等腦認(rèn)知功能研究的成果，有望對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、類腦計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。理解編碼語言中句法結(jié)構(gòu)的腦神經(jīng)機(jī)制將極大地推動人工智能領(lǐng)域中語音與語言技術(shù)的發(fā)展。闡明感知覺機(jī)理，如空間知覺的機(jī)理可能可以幫助機(jī)器人建立一個(gè)內(nèi)在的坐標(biāo)系。多感覺整合的研究成果可以幫助機(jī)器人變得更加耳聰目明。研究感覺—運(yùn)動轉(zhuǎn)換以及運(yùn)動控制的神經(jīng)機(jī)制將有助于設(shè)計(jì)和制造更加靈巧的機(jī)器人。與此同時(shí)，智能技術(shù)研究的新思想和新技術(shù)亦可以為腦認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)的研究提供重要的借鑒和支持。

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李澄宇中科院上海生命科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)所研究員，1995—1999 年就讀于北京大學(xué)生命科學(xué)院生理學(xué)和生物物理學(xué)系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1999—2004 年就讀于中科院神經(jīng)科學(xué)所，獲理學(xué)博士學(xué)位。2004—2009 年，在美國加州大學(xué)伯克利分校分子和細(xì)胞生物學(xué)系從事博士后研究工作。李澄宇博士的研究興趣主要在行為的神經(jīng)元環(huán)路基礎(chǔ)，包括動物的社會行為，工作記憶和長時(shí)程記憶等，已獲得中科院“百人計(jì)劃”和國家“杰出青年科學(xué)基金”支持。E-mail: tonglicy@ion.ac.cn

Li Chengyu Obtained his B.S. degree in Department of Physiology and Biophysics， School of Biological Sciences， Peking University， 1995-1999. Studying between 1999 and 2004， Li Chengyu obtained his PhD degree in Institute of Neuroscience， Shanghai Institutes for Biological Sciences， Chinese Academic of Sciences（CAS）， Shanghai. Between 2004 and 2009， Li Chengyu studied as Postdoctoral Fellow in Department of Molecular & Cell Biology， Helen Wills Institute of Neuroscience， University of California， Berkeley， CA， USA. His main interests are in the functional circuitry of behavior， including social behavior， working memory， and long-term memory. He was supported by the “Hundred Talent Program” of CAS and “The National Science Fund for Distinguished Young Scholars” of NSFC. E-mail: tonglicy@ion.ac.cn

王佐仁男，中科院上海生命科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)所研究員。1994 年獲華東理工大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1997 年獲中科院上海生物化學(xué)所理學(xué)碩士學(xué)位，2002 年獲美國新澤西州羅格斯大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。2002—2004 年，于美國加利佛尼亞大學(xué)伯克利分校分子和細(xì)胞生物學(xué)系神經(jīng)生物學(xué)分部進(jìn)行博士后研究。2005 年加入中科院神經(jīng)科學(xué)所，任研究員和“神經(jīng)環(huán)路及動物行為”研究組組長。獲得中科院“百人計(jì)劃”和國家杰出青年科學(xué)基金支持。E-mail：zuorenwang@ion. ac.cn

Wang Zuoren Male， he got undergraduate study at East China University of Science and Technology， and received his master degree from Shanghai Institute of Biochemistry in the Chinese Academy of Sciences. He pursued his Ph.D. degree at Rutgers University-New Brunswick in New Jersey from September 1997 to April 2002. Then， he conducted his post-doctoral research in the Department of Molecular and Cell Biology at University of California-Berkeley. He joined the faculty of ION in 2005 as Principal Investigator and Head of the “Laboratory of Neural Circuits and Animal Behavior”. He was supported by the “Hundred Talent Program” of CAS and “The National Science Fund for Distinguished Young Scholars” of NSFC. E-mail: zuorenwang@ion.ac.cn

Neural Basis of Brain Cognition

Li Chengyu1，2Yang Tianming1，2Gu Yong1，2Wang Liping1Xu Ninglong1，2Cui He1Wang Zuoren1，2
（1 Institute of Neuroscience， Shanghai Institutes for Biological Sciences， Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200031， China；2 Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200031， China）

All animals need to process and store relevant information about the external environment， while making decision and performing actions based on perceived value and risk. In addition， social animals need social cognitive abilities such as empathy， theory of mind and vocal communication. Furthermore， humans have superb abilities in self-awareness， logical reasoning， consciousness， and language.These cognitive abilities are critical for animals to successfully find food， avoid predators， and nurture their young. All cognitive abilities are determined by the function of neurons in our brain. Therefore， the neural basis of cognition is the central question for neuroscience and remains a grand challenge in human understanding of nature and ourselves. After centuries of studies， we now know several principles of neural basis underlying cognitive behaviors: different brain regions participate synergistically in different cognitive behaviors， using local neural circuits and long-range projections to process information within and among various brain regions， respectively. Learning and memory are mediated by plasticity changes in the strength and morphology of synapses； neuromodulators （such as dopamine） can modulate activity and plasticity of neural network at multiple levels and in turn modify cognitive abilities. In the current review we introduce the neural basis of cognition， focusing on sensory perception， learning and memory， decision making， social behaviors， and motor control. We propose that future studies need to combine mesoand micro-scale analysis for systematic and in-depth understanding of neural basis of cognition. At the mesoscopic scale， we need to construct the brain-wide connectome in a cell-type specific manner. In addition， functional activity map for different cognitive behaviors are required at the single-neuron level. Furthermore， we need to use optogenetic and chemicogenetic tools to dissect the causal relationship between activities of various neural circuits and the cognitive functions. Eventually， we also need manipulate activities of different brain regions and projecting terminals， while observing global neural dynamics across multiple brain regions. Such combined studies will yield principles of global brain dynamics for cognition. Furthermore， we need to dissect the connectivity patterns of neurons in a cell-type specific manner and illuminate the plasticity rule of these cell types in cognitive behaviors. The combined meso- and micro-scopic studies will without question shed new lights on the neural basis of cognitive behaviors. The efforts will be critical for eventually cracking the mystery of human intelligence. Understanding neural basis of cognition will provide necessary foundation for curing human brain disorders and promote the development of brain-inspired intelligence technologies.

cognition， neural basis， perception， learning and memory， decision making， social behavior， consciousness， motor control

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.07.004

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目（B類）（XDB02020000、XDB 02040000）
** 通訊作者
修改稿收到日期：2016年6 月28日