研究人员发现，大脑的两个特定区域——新皮层和丘脑——如何协作以注意到动物所期望的与实际发生之间的差异。当意外的感官信息被选择性增强时，这些“预测误差”就会发生。这项研究加深了我们对大脑如何处理预测的理解，并可能为自闭症谱系障碍（ASDs）和精神分裂谱系障碍（SSDs）中观察到的大脑电路变化提供启示。
研究人员已经确定新皮层和丘脑在识别预期和实际经历之间的差异方面的协作功能。这个过程涉及选择性增强意外的感官输入以处理预测误差。这项研究增加了对大脑中预测处理的认识，并可能为与自闭症谱系障碍（ASDs）和精神分裂谱系障碍（SSDs）相关的大脑电路变化提供有价值的见解。
今天在《自然》杂志上发表的一项研究详细说明了来自伦敦大学学院Sainsbury Wellcome中心的科学家如何在虚拟现实环境中对小鼠进行研究，推动了我们对大脑中预测误差信号以及产生这些信号的基础机制的理解。
“我们的脑子在不断预测我们应该从周围环境和我们行动的结果中期待什么。当这些预测不正确时，多个大脑区域被显著激活。这些预测误差信号对我们从错误中学习和完善我们的期望至关重要。尽管它们的重要性，但对于促进这些信号的大脑神经电路知识却令人惊讶地缺乏，”SWC小组负责人、论文作者之一的Sonja Hofer教授解释道。
为了研究大脑如何解读预期与意外事件，研究人员将小鼠置于一个虚拟现实场景中，在这个场景中，它们可以穿越一个已知的走廊来获得奖励。虚拟设置使研究人员能够仔细操控视觉输入并在环境中插入意外图像。利用一种称为双光子钙成像的方法，他们捕捉了初级视觉皮层中许多单个神经元的神经活动，这是处理从眼睛接收到的视觉数据的新皮层的第一部分。
“现有理论表明，预测误差信号代表实际视觉输入与预测之间的差异，但我们却惊讶地发现没有支持这一观点的证据。相反，我们发现大脑增强了对意外视觉输入表现出强烈偏好的神经元的反应。我们观察到的预测误差信号是这种视觉信息特定增强的结果。这表明我们的脑子能够识别预测与实际输入之间的差异，以强调意外发生的事件，”Hofer和Mrsic-Flogel实验室的高级研究员、该研究的主要作者Furutachi博士指出。
为了理解大脑如何在视觉皮层中增强意外的感官信息，研究团队采用了光遗传学来激活或去激活不同组的神经元。他们确定了在视觉皮层中产生预测误差信号的两个神经元组：在V1中表达血管活性肠肽（VIP）的抑制性中间神经元和一个名为外侧肢体（pulvinar）的丘脑区域，该区域整合来自多个新皮层和下丘脑区域的数据，并与V1有着紧密连接。有趣的是，这两组神经元之间的相互作用是意外的。
“在神经科学中，我们常常专注于独立分析单个大脑区域或通路。然而，作为一个分子生物学背景的研究员，我对各种分子通路如何协调工作以确保灵活和上下文的调控感到兴趣。我想探讨在神经电路中是否存在合作，特别是在VIP神经元与外侧肢体之间，”Furutachi博士解释道。
Furutachi博士的研究显示，VIP神经元和外侧肢体和谐地协同工作。VIP神经元像一个电话交换机：当不活跃时，外侧肢体削弱新皮层的活动，但当VIP神经元活跃时，外侧肢体可以显著且选择性地增强新皮层中的感官反应。因此，这两条通路的协作效应在视觉皮层内介导了感官预测误差信号。
研究人员的下一个阶段是检查大脑中如何以及在哪里将动物产生的预测与实际感官输入进行对比，以计算感官预测误差，以及这些信号如何促进学习。他们还在研究他们的发现如何有助于理解ASDs和SSDs。
“已经有研究表明，ASDs和SSDs可能源于预测误差系统中的不平衡。我们现在将我们的发现应用于动物的ASDs和SSDs模型，以研究这些障碍的机制性神经电路基础，”Furutachi博士表示。
这项研究得到了来自Gatsby慈善基金会和Wellcome的Sainsbury Wellcome中心核心拨款（219627/Z/19/Z和090843/F/09/Z）；Wellcome研究员奖（219561/Z/19/Z）；Gatsby慈善基金会（GAT3212和GAT3361）；Wellcome信托（090843/E/09/Z和217211/Z/19/Z）；欧洲研究委员会（HigherVision 337797; NeuroV1sion 616509）；SNSF（31003A 169525）；以及来自巴塞尔大学生物中心的核心资金支持。
