概率推理的眶额叶神经环路及机制

Humans and animals make decisions to gain rewards and avoid dangers every moment in their lives. However, the information for decisions is often fuzzy, incomplete, and probabilistic in nature. Our previous studies found that macaque monkeys and humans can integrate probabilistic information for reasoning, and their choice behavior is consistent with statistical theories. However, the underlying neural mechanisms are not fully understood. We hypothesize that the orbitofrontal cortex (OFC) plays an important role in representing probabilistic information during probabilistic reasoning. We propose an experiment in which we will train macaque monkeys to perform a probabilistic reasoning behavior paradigm and make decisions by integrating multiple pieces of probabilistic information associated with visual stimuli. We will then record the single unit activity of neurons in the OFC and its downstream prefrontal areas when monkeys are performing the task. Combining experimental and computational neuroscience approaches, we aim to understand the roles of the OFC and the related prefrontal areas during probabilistic reasoning. The proposed experiment helps us to understand how the prefrontal cortex neural circuitry and its underlying computational principles. It will provide key insights for the fields of brain-like artificial intelligence and clinical researches of neurological and psychiatrical disorders.

人类和动物每时每刻都在根据趋利避害的原则进行抉择，然而抉择所依赖的信息却往往是不完整和不确定的。我们之前的研究发现人类和猕猴均能够整合不确定信息进行抉择，并且这种抉择行为符合概率统计的原理。然而，概率推理的神经机制依然不明。我们提出假设，认为眶额叶皮层(OFC)作为大脑奖赏环路中的重要组成部分，在概率推理过程中编码了概率信息。我们设计了一项实验，训练猕猴完成一项概率推理的行为学范式。猕猴需要整合多项视觉刺激所提供的概率信息来进行抉择。 我们将在猕猴进行抉择的同时，采用单细胞多通道记录的手段，对OFC及相关前额叶脑区的神经元活动进行记录和分析，同时结合人工神经网络建模的研究，揭示OFC及相关前额叶脑区处理不确定信息的神经环路与机制。我们的研究将揭示大脑前额叶在抉择和认知过程中所起的作用，帮助我们进一步认识人类智能的神经基础，并对类脑人工智能及临床医学等方面的应用和研究起到巨大的推动作用。

本课题针对大脑整合不确定信息并进行推理抉择的能力的神经机制进行研究。过往实验证据提示了眶额叶皮层在计算和编码了概率性的价值信息，但是这些概率信息是如何被整合并用于抉择的仍不清楚。我们设计并训练猕猴完成一个概率推理的行为范式。猕猴通过观看一系列的图形在红点和绿点之间做出选择，每张图片提供了红点或绿点是正确答案的概率信息。猕猴需要整合这些图片的信息才能知道哪个颜色的点是正确的概率较高。在猕猴进行任务的同时，我们记录了背外侧前额叶与眶额叶神经元的活动。分析表明，眶额叶神经元仅仅编码了单个图形的概率信息，而没有进行信息的整合。相反，背外侧前额叶神经元既编码了单个图形的概率信息，而且编码了各个图形所整合的概率信息，并反应了最终的抉择结果。概率信息的整合与计算与最终抉择所做出的运动信号密切相关，而独立与选项的颜色本身。我们进一步运用人工神经网络对包括大脑在进行概率推理等抉择任务的神经计算进行了建模，揭示了一个基于序列学习的灵活抉择模型。我们的工作勾绘出前额叶在概率推理过程中计算和整合价值的神经回路，创建了一个新颖的抉择模型，并推动了我们对抉择的神经机制的理解。