總結(jié)過往經(jīng)驗以指導(dǎo)未來決策，是大腦靈活性的標(biāo)志。面對復(fù)雜多變的環(huán)境，大腦會不斷構(gòu)建內(nèi)在的認(rèn)知地圖：將物理空間的位置信息編碼為空間地圖，將抽象知識編碼為知識地圖。作為高度社會化的動物，我們還面臨大量的社會決策：在認(rèn)識的潛在合作伙伴中，誰有能力做企業(yè)管理，誰更擅長品牌推廣。那么，大腦是如何存儲社會信息，指導(dǎo)我們做出合理決策呢？近日，一項發(fā)表在 Nature Neuroscience 上的最新研究發(fā)現(xiàn)，正如空間信息和抽象知識一樣，大腦也會為社會層級知識構(gòu)建相應(yīng)的認(rèn)知地圖，并用這張地圖幫助我們在社會決策中“導(dǎo)航”。
研究領(lǐng)域：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，知識表征
論文題目：
Inferences on a multidimensional social hierarchy use a grid-like code
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41593-021-00916-3
1. 認(rèn)知地圖：社會層級知識也有地圖表征
人們最初對認(rèn)知地圖的認(rèn)識來自執(zhí)行空間任務(wù)的小鼠。通過記錄鼠在空地上探索時的神經(jīng)活動，研究者們在海馬（hippocampus，HC）和內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex, EC）內(nèi)找到了一些與導(dǎo)航任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元，包括位置細(xì)胞（place cell）、邊界細(xì)胞（border cell）以及網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell）。通過解碼這些細(xì)胞的活動，研究者們發(fā)現(xiàn)，小鼠利用這些細(xì)胞在海馬內(nèi)構(gòu)建起了一張空間地圖，并利用它進(jìn)行空間導(dǎo)航（圖1a）。科學(xué)家們在之后的研究中發(fā)現(xiàn)，抽象知識在腦內(nèi)也以地圖的形式表征，并被存儲在海馬及內(nèi)嗅皮層內(nèi)——這就是我們的認(rèn)知地圖（cognitive map）。在推理任務(wù)中，地圖上特定的向量被激活，用于決策（圖1b）。在導(dǎo)航和推理過程中，網(wǎng)格細(xì)胞發(fā)揮了重要作用，也讓我們有可能通過觀測神經(jīng)反應(yīng)來探索推理過程。通過對特定格點（邊緣格點和中心點）的偏好反應(yīng)，網(wǎng)格細(xì)胞將認(rèn)知空間劃為六邊形的網(wǎng)格。這種劃分方式讓起到推理導(dǎo)航作用的抽象向量具有了六邊形對稱性——沿方向 θ1（Φ 60°）的向量與方向 phi的向量能引起相同程度的神經(jīng)元激活，而方向為 θ2 （Φ 30°）的向量和 θ1 引起的激活卻迥然不同（圖1c）。這種軌跡的對稱性特點常被用于探測認(rèn)知地圖在推理中的使用。既然已經(jīng)有實驗證明，大腦可以通過構(gòu)建知識地圖來存儲并利用抽象知識，那么，對于我們每天都會處理的社會信息，大腦是否也會采用這種方式進(jìn)行表征，并利用地圖進(jìn)行決策呢？近日，來自美國加州大學(xué)戴維斯分校的研究者Park、Miller和Boorman設(shè)計了一項實驗，通過讓被試學(xué)習(xí)社會層級知識構(gòu)建相應(yīng)的認(rèn)知地圖，并使用這張腦海中的認(rèn)知地圖進(jìn)行推理決策。2. 社會層級結(jié)構(gòu)的神經(jīng)表征
在他們的實驗中，有16個社會實體（圖2下c），各自具有社會層級屬性。社會層級屬性包括兩個變量：工作能力和受歡迎程度。被試需要經(jīng)過訓(xùn)練習(xí)得每個實體的這兩個屬性的排序：每次訓(xùn)練會針對一個社會屬性，被試通過猜測、推理該屬性序次較高的實體（圖2上）。當(dāng)被試能正確完成絕大多數(shù)比較任務(wù)，則證明已經(jīng)學(xué)會了這兩種屬性的次序關(guān)系。之后，被試將在核磁掃描中完成同伴選擇任務(wù)（圖2下a）。在該任務(wù)中，被試需要在依次呈現(xiàn)的選項1（F1）和選項2（F2）中選出實體 Bob 最適合的同伴，適合程度由兩者間的差異決定，即Bob與選項1、2在兩個指標(biāo)上的差異，差異越大越適合。被試被要求在決定時等權(quán)重地參考這兩個層級指標(biāo)，如果被試使用了認(rèn)知地圖構(gòu)建社會層級關(guān)系，在選擇任務(wù)中將有可能在地圖中對比向量大小，進(jìn)行推理決策（圖2下c、d）。 圖2. 實驗設(shè)計。上：實驗程序；下：同伴選擇任務(wù)如果經(jīng)過訓(xùn)練，被試確實在腦中構(gòu)建出了社會層級地圖，那么注視的實體在地圖上越鄰近，腦中的神經(jīng)表征也應(yīng)該越相似。因此，研究者采用了表征相似性分析（Representational similarity analysis，RSA）的方法，得到了兩兩實體間的歐式距離矩陣（圖3a）和兩側(cè)海馬、內(nèi)嗅皮層（圖3b）的神經(jīng)活動相似性矩陣，并對兩個矩陣做了相關(guān)分析。結(jié)果如圖3c所示，在海馬（HC）和內(nèi)嗅皮層（EC）的神經(jīng)活動相似性矩陣與歐氏距離矩陣顯著相關(guān)，而作為對照的雙側(cè)運動皮層（M1）卻沒有體現(xiàn)出這樣的相似性。這證明在海馬和內(nèi)嗅皮層中，社會層級關(guān)系確實以認(rèn)知地圖的形式進(jìn)行存儲。圖3.社會層級的神經(jīng)表征。a. 實體間的歐式距離矩陣; b. 海馬和內(nèi)嗅皮層感興趣區(qū)；c. 表征相似性
除了海馬和內(nèi)嗅皮層，大腦中是否還存在其他地方存儲了社會層級地圖呢？研究者對全腦的神經(jīng)活動進(jìn)行了基于探照燈表征相似性分析（searchlight-based RSA），除了海馬和內(nèi)嗅皮層外，還在前額葉（mPFC）和眶額皮層（OFC）發(fā)現(xiàn)了社會層級地圖（圖4）。如果被試使用向量在存放認(rèn)知地圖的2D空間中輔助推理，我們應(yīng)該能在選項F1和F2的刺激呈現(xiàn)時，在相應(yīng)的腦區(qū)看到表征推理軌跡（向量）的神經(jīng)激活。具體來說，當(dāng)選項1刺激呈現(xiàn)時，被試的神經(jīng)活動應(yīng)該表征向量F0F1，在F2刺激呈現(xiàn)時，被試的神經(jīng)活動應(yīng)該表征向量F0F2。而這兩個向量的神經(jīng)表征應(yīng)該也滿足六邊形對稱，即當(dāng)兩個向量夾角為60°的倍數(shù)時，它們的神經(jīng)活動相似性顯著高于夾角非60°的情況。因此，研究者利用三角函數(shù)，建立了一般線性方程，找到滿足六邊形對稱特點的腦區(qū)，其中包括內(nèi)嗅皮層（EC）、內(nèi)側(cè)前額葉（mPFC）、枕顳聯(lián)合區(qū)（TPJ）和顳上溝（STS），這些腦區(qū)在之前的研究中被證明與社會認(rèn)知中的心智理論有關(guān)，可能涉及到后續(xù)決策的過程。在心理學(xué)中，心智理論指的是從他人視角、狀態(tài)出發(fā)進(jìn)行思考，從而理解他人的能力。這些狀態(tài)可能與自己的狀態(tài)不同，包括信仰、欲望、意圖和情緒。心智理論的獲得在社會認(rèn)知中非常重要。
同時，網(wǎng)格細(xì)胞對2D空間的六邊形表征存在Φ偏角（圖1c）。如果被試使用認(rèn)知地圖進(jìn)行推理，我們將能夠在該2D空間中找到特異于每個被試的Φ偏角，對被試腦內(nèi)的認(rèn)知地圖進(jìn)行進(jìn)一步解碼。研究者對內(nèi)嗅皮層的神經(jīng)激活信息進(jìn)行擬合，得到了每個被試的Φ偏角，并通過六折交叉驗證證明了其可靠性（圖6右）。他們檢驗了推理向量方向與六邊形格點向量一致（Φ 60°*k）和不一致（Φ 30°*k）時對應(yīng)的神經(jīng)激活強度，發(fā)現(xiàn)方向一致的向量激活強度顯著高于不一致的向量，這證明被試在推理中構(gòu)建了基于網(wǎng)格細(xì)胞的向量（圖6左）。4. 網(wǎng)格表征對決策的調(diào)節(jié)
在尋找推理軌跡的過程中，研究者在內(nèi)側(cè)前額葉（mPFC）和枕顳聯(lián)合區(qū)（TPJ）等上游決策區(qū)域發(fā)現(xiàn)了向量的網(wǎng)格表征，這可能反映了決策區(qū)域受到了認(rèn)知地圖的調(diào)節(jié)。研究者對這一調(diào)節(jié)機制進(jìn)行了驗證，他們發(fā)現(xiàn)對于任務(wù)決策相關(guān)向量F1F2，當(dāng)其朝向與認(rèn)知地圖朝向一致（aligned）時，能夠比方向不一致時（misaligned）在內(nèi)側(cè)前額葉和枕顳聯(lián)合區(qū)有更大的激活（圖7d、e）。這與內(nèi)嗅皮層中觀察到的結(jié)果一致，說明負(fù)責(zé)決策的高級皮層可能受到了海馬和內(nèi)嗅皮層中認(rèn)知地圖的調(diào)節(jié)。同時，內(nèi)側(cè)前額葉、海馬、內(nèi)嗅皮層的激活程度與F1F2的模長相關(guān)，模長越長，這些區(qū)域的激活程度就越高。該結(jié)果可能為內(nèi)側(cè)前額葉參與價值權(quán)衡過程提供了證據(jù)（圖7f）。目前為止，已有大量研究揭示了抽象知識在腦內(nèi)以認(rèn)知地圖形式編碼，并存儲在海馬和內(nèi)嗅皮層。這篇文章開創(chuàng)性地證明，社會層級關(guān)系的知識也存在二維地圖表征，同時，在推理過程中，大腦的內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側(cè)前額葉都使用了網(wǎng)格表征建構(gòu)實體間的軌跡。而且研究發(fā)現(xiàn)，在利用認(rèn)知地圖決策的過程中，負(fù)責(zé)決策的上游腦區(qū)也會受到網(wǎng)格表征的調(diào)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)提示我們：網(wǎng)格表征可能是大腦用于推理和問題解決的重要機制。海馬、內(nèi)嗅皮層以及其連接的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)共同提供了一個大腦進(jìn)行推理、決策的系統(tǒng)框架。這個系統(tǒng)通過構(gòu)建認(rèn)知地圖表征知識，并在地圖空間中建立起知識實體間的關(guān)系，從而進(jìn)行推理和決策。在這項研究的基礎(chǔ)之上，只包含雙變量社會層級的二維地圖是否可以在更復(fù)雜的多變量決策中實現(xiàn)？在層級知識上的發(fā)現(xiàn)是否可以推廣到包括社交距離、人格特質(zhì)在內(nèi)其他類型的社會信息？不同的文化背景是否會對推理機制造成影響？現(xiàn)實生活中的社會決策相比實驗更為復(fù)雜、受到更多因素的影響，未來對這些問題的進(jìn)一步明確，將有望推動我們理解人腦如何在社會中進(jìn)行“導(dǎo)航”。https://www.nature.com/articles/s41593-021-00900-xhttps://www.nature.com/articles/d41586-021-03010-7集智斑圖頂刊論文速遞欄目上線以來，持續(xù)收錄來自Nature、Science等頂刊的最新論文，追蹤復(fù)雜系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、計算社會科學(xué)等領(lǐng)域的前沿進(jìn)展?，F(xiàn)在正式推出訂閱功能，每周通過微信服務(wù)號「集智斑圖」推送論文信息。掃描下方二維碼即可一鍵訂閱：
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點擊舉報。
