上丘，位于中脑，被普遍理解为帮助动物聚焦于重要空间线索，例如将眼睛和头部转向突然的光线爆发。然而，来自芝加哥大学的最新研究发现，这个大脑区域还参与复杂的认知功能，例如视觉分类和决策制定。
最近发表在《自然神经科学》上的研究评估了与视觉分类相关的多个大脑区域脑细胞活动模式中的信息。科学家们跟踪了上丘（SC）和后顶叶皮层（PPC）区域的活动，后者对进行分类视觉选择至关重要。研究人员惊讶地发现，上丘的活动与指导受试者的类别决策的关联性超过了PPC，这表明它参与协调通常归因于新皮层的高级认知功能。
“在这个传统上与基本空间定向和反射动作相关的区域发现认知信号，实在令人惊讶，”芝加哥大学神经生物学教授及神经科学研究所主任David Freedman博士说，并且是该研究的资深作者。“这个古老的大脑结构似乎在复杂的认知选择中发挥着重要作用，甚至超过了我们研究的皮层区域。”
一个具有惊人能力的古老大脑区域
所有动物，包括鱼类、爬行动物、哺乳动物、灵长类动物和人类，必须快速区分和分类视野中的物体。运动中的物体是障碍物还是威胁？那个奔跑的生物是捕食者还是猎物？
上丘是一个在所有脊椎动物中进化上高度保守的脑区，即使是那些缺乏更高级新皮层的动物也存在。它支持头部和眼睛运动向视觉刺激的定向，曾被认为通过中继来自高层大脑区域的输入来启动反射运动功能。然而，最近的研究表明它参与复杂任务，例如选择定向点并将注意力集中在不同空间位置的刺激上。
Freedman及其团队长期以来一直在探索与上丘有紧密解剖关系的其他皮层区域。这些邻近区域对于灵活和要求高的决策任务至关重要，研究人员旨在确定上丘是否也参与抽象思维。在他们最新的研究中，他们训练猴子参与视觉决策任务，要求它们在计算机屏幕上观看图像，并在适当的时候通过按按钮正确分类这些图像以获得果汁奖励。
在受试者执行任务时，研究人员记录了上丘和后顶叶皮层中侧内顶区（LIP）中的神经元活动，LIP是PPC中与分类决策相关的部分。实验设置使他们的目光保持固定，通过手部动作指示选择，有效地隔离了与分类相关的大脑活动，而不是以前与上丘功能相关的典型眼睛或头部运动。
他们检测到上丘内显著的活动，代表所观看图像的类别，表明这种活动比PPC中看到的更强。他们还进行了一项实验，在任务中施用了一种药物，暂时麻木了上丘。这个干预没有损害大多数受试者的运动或视觉功能，但显著妨碍了他们准确分类图像的能力，直到麻木感消失。
“我们的发现表明上丘在该任务中的重要作用，”Freedman说。“即使在动物不需要移动眼睛或转换注意力的情况下，上丘也对这些更高水平的认知活动至关重要。”
解决问题的特殊“劲儿”
Freedman表示，发现上丘中的这种活动不仅令人惊讶，且可能表明这个区域为何会在复杂任务中被招募。由于它存在于从原始鲨鱼到现代人类的所有脊椎动物中，它是最早进化出用于处理视觉输入和促进相关运动的大脑区域之一。然而，这项新研究表明它在与空间意识无关的功能中也发挥作用。这是否意味着空间处理在解决问题上具有独特的优势？
Freedman指出，人们在回忆信息或做出决策时做出的眼睛和手势可能具有指示性。例如，当被问及昨晚的晚餐时，一个人的眼睛可能会向上移动，就像在寻找天花板上写下的答案一样。或者在权衡两个选项时，向上和向下的手部运动可能类似于一个平衡秤。
“这些数据可能表明，我们的空间手势和眼睛运动是大脑中的空间区域在帮助非空间认知功能时的结果，”第一作者Barbara Peysakhovich博士评论道，她是Freedman实验室的前研究生，现在是哈佛大学的博士后研究员。
我们都经历过从书面来源获取信息时的挣扎——比如有关神经科学研究的详细新闻稿——只有在同样的信息以视觉方式呈现时，一切才会明朗。
“人们说一张图片胜过千言万语——即使是一个简单的空间图示也能传达比口头表达更多的信息，”Freedman解释道。“就好像我们的脑子建立了一个复杂的心智图表，以解决空间和非空间的挑战。”
这项名为“灵长类动物的上丘参与抽象的高级认知”的研究，由美国国立卫生研究院（资助编号R01EY019041, U19NS107609, 1F31MH124395, F30EY033648, F31 EY029155）和国防部Vannevar Bush教师奖学金（N000141912001）资助。其他贡献者包括来自芝加哥大学的Barbara Peysakhovich、Ou Zhu、Stephanie M. Tetrick、Vinay Shirhatti、Alessandra A. Silva、Sihai Li、Matthew C. Rosen和W. Jeffrey Johnston，以及法国艾克斯-马赛大学的Guilhem Ibos。
