来源:中科院神经科学研究所

我们做科学研究,最重要的是要能够集中注意,不要分心……

“咦?哪来的小松鼠?”

窗外突然跳出的小松鼠就这么成功地干扰了我们正在进行的实验,成功地吸引了我们的注意力。

你一定遇到过这种情况,早上打开电脑想要认真的工作一会儿,邮件叮的一声提示你有新的邮件;处理完邮件,刚打开要写的文档,系统弹出了新的广告,刚好是你感兴趣的内容……去商场买日用品,常常买回来一大堆用不到的东西;打开手机想给朋友发个消息,欸,朋友圈有更新,我先看一下,等等,我刚刚是想做么来着?

小松鼠指的就是那些干扰你,使你从真正在做的事情上分心的东西。邮件、广告、朋友圈的更新,甚至饥饿、口渴、某些瞬间的想法都可以是小松鼠。

生活中经常需要面临各种各样的选择,小到一餐一饭,大到职业婚姻。这些抉择常常要调集我们的注意力,对各个选项的价值一个一个地进行判定,这个过程在大脑中从感觉系统收集原始信息开始,到抉择最终做出为止。小松鼠们在这个过程中也没有闲着,而是持续不断,不遗余力地对我们进行着干扰。

比如你在网上购买手机。网页上同时呈现了许多手机的图片、参数、价格等信息,这些信息同时进入你的眼帘,通过视网膜,一层一层向大脑的高级中枢传递。这是一个典型的并行信息处理的过程。然而,你做决定的时候,却需要通过注意力的转换,一个手机一个手机地进行研究,最后来做出判断,这又是一个串行的信息处理方式。聪明的广告商往往会通过靓丽的产品图片、粗体标出的折扣数字等等方式来吸引你的注意力,进而影响你的抉择。看到小松鼠了么?

那么,大脑在从并行的信息处理到串行的信息处理之间是如何转换,注意力又是如何调节这个转换过程的呢?这是中国科学院神经科学研究所杨天明研究组最新在eLife发表的论文[1]所关注的核心问题。

参与价值选择的脑区——眶额叶皮层

研究发现,这一编码感觉信息所关联的价值信息的关键脑区在大脑的眶额叶皮层(顾名思义,它是大脑额叶的一个分区,位于你大脑前端底侧,靠近眼眶的位置)。在这一脑区中,存在编码各选项价值,类别以及被选价值的神经元[2]。眶额叶皮层通过‘登记’外界刺激和奖赏之间的关系参与价值抉择。

图1 阴影部分展示了眶额叶皮层所在位置。左图为猕猴脑图谱,右侧为人的脑图谱。大脑的前端朝左,上图展示的是大脑的侧面观,下图展示的是底面观(从大脑的底部向上看过去,脑侧缘朝上)。(图片来源:RichardE.Passingham and Steven P.Wise lt;The Neurobiology of the PrefrontalCortex gt;。 图1 阴影部分展示了眶额叶皮层所在位置。左图为猕猴脑图谱,右侧为人的脑图谱。大脑的前端朝左,上图展示的是大脑的侧面观,下图展示的是底面观(从大脑的底部向上看过去,脑侧缘朝上)。(图片来源:RichardE.Passingham and Steven P.Wise lt;The Neurobiology of the PrefrontalCortex gt;。

当同时面对不同的选项时,科学家发现眶额叶皮层中,和价值编码有关的神经元活动会受到眼睛注视位置的影响[3],而且它们在决策过程中编码的价值信息也会在不同选项之间切换[4]。

注意力影响价值判断

在日常生活以及实际研究中,和注意有关的信号常常和抉择、价值等信息混在一起。因为通常有价值的东西会吸引我们的注意力,而我们做抉择的时候,我们的注意力也往往更偏向我们所选择的目标。

为了区分注意、价值和抉择等不同因素对大脑活动的影响,研究者设计了一种精巧的行为范式来训练猕猴。在这个行为范式中,猕猴只需要观看图片而不做任何选择的任务。猕猴每次会观看两张分别代表不同奖赏的图片,然后,电脑随机选择其中一张图片代表的奖赏给予猕猴。这意味着最后给予猕猴的奖赏和猕猴的主观意愿无关。

然而我们发现,猴子的注意力几乎完全分配给了奖赏更高的图形。当屏幕上出现奖赏更高的图形时,猕猴的瞳孔会放大,和我们看到好吃的食物的反应一样。

与此相应的,眶额叶编码价值的神经元的活性也完全由更高奖赏的图形支配,而完全忽略了另一张图片。这种由注意力调控的全或无的编码方式是之前在大脑其他脑区没有观察到的。

图2 猕猴行为范式。猕猴除了需要盯住屏幕中央的白点,并观看同时出现的两种图片之外,不需要做任何事情。虚线框代表图片呈现过程中可能有时会发生转动。每张图片代表不同大小的果汁奖励。如果猕猴盯住屏幕4500毫秒,就能获得奖励。 图2 猕猴行为范式。猕猴除了需要盯住屏幕中央的白点,并观看同时出现的两种图片之外,不需要做任何事情。虚线框代表图片呈现过程中可能有时会发生转动。每张图片代表不同大小的果汁奖励。如果猕猴盯住屏幕4500毫秒,就能获得奖励。

在进一步的试验中,研究者会在猕猴观看图片的时候,随机转动其中的一张。这个转动就是这个实验里的小松鼠,它和奖励没有任何关系,奖励依然由电脑随机从两张图片中选取。但是这突然的图形变化可能会吸引猕猴注意力。而眶额叶皮层神经元灵敏地‘捕捉’到了注意力的变化。

尤其是当转动发生在代表较小奖赏的图片上的时候,之前完全忽略这种图片的眶额叶神经元会开始编码这张图片的价值,显示出猕猴的注意力切换到了被旋转的图片上。

价值信息影响注意力的切换 

然而,猕猴的注意力的切换还与两张图片所代表的奖赏相关。具体说来,当两种图片之间的奖赏差异越大,注意力被“小松鼠” 吸引切换到奖赏比较小的图片的可能性则越小。

这就像你在阅读一本非常引人入胜的书的时候,外界的干扰很难影响你;而如果你看的书不那么有趣,那么身边一点点小动静都能吸引走你的注意力。

这也提示我们,当你想要完成某件事时,如果你想要降低小松鼠对你的影响,首先你应该做的是,提高这件事在你心中的重要程度;其次尽可能营造一个干扰较少的环境。

图3 眶额叶皮层中的价值编码神经元在大脑同时处理代表不同价值的物体时,主要由更高价值的物体支配。这一过程受注意力调控,眶额叶神经元因受注意力切换影响编码相关物体的价值。图中虚线代表转动情况下神经元的反应,相比没有转动的情况(红色实线),神经元整体反应更偏向于被转动的图片(黑色实线)。 图3 眶额叶皮层中的价值编码神经元在大脑同时处理代表不同价值的物体时,主要由更高价值的物体支配。这一过程受注意力调控,眶额叶神经元因受注意力切换影响编码相关物体的价值。图中虚线代表转动情况下神经元的反应,相比没有转动的情况(红色实线),神经元整体反应更偏向于被转动的图片(黑色实线)。

大脑是一个协同工作的整体

大脑的抉择、认知过程非常复杂,牵涉到许多脑区、不同层次的协同工作。这其中感觉信息的高度并行化处理以及高级认知功能的“一心不能二用”现象之间存在的矛盾也由各个脑区处理信息的方式所体现出来。

图4。视觉信息经视网膜(Retina),视神经,外侧膝状体(LGN)进入初级视觉皮层(V1,V2),这个信息传递过程是并行的,主要可分为腹侧通路(ventral pathway,红色实线)和背侧通路(dorsalpathway,蓝色实线)。腹侧通路主要处理和形状、颜色等相关的物体识别信息;而背侧通路主要处理和运动相关的信息。这些信息会汇合到更高级的额叶(PFC)、顶叶皮层(parietalarea)。这些区域的神经元会综合各种信息,结合你的注意力,指导你做出决定。(图片来源,改编自Eric R。 Kandal 等人著 lt;Principlesof Neuroscience gt;,5th ed) 图4。视觉信息经视网膜(Retina),视神经,外侧膝状体(LGN)进入初级视觉皮层(V1,V2),这个信息传递过程是并行的,主要可分为腹侧通路(ventral pathway,红色实线)和背侧通路(dorsalpathway,蓝色实线)。腹侧通路主要处理和形状、颜色等相关的物体识别信息;而背侧通路主要处理和运动相关的信息。这些信息会汇合到更高级的额叶(PFC)、顶叶皮层(parietalarea)。这些区域的神经元会综合各种信息,结合你的注意力,指导你做出决定。(图片来源,改编自Eric R。 Kandal 等人著 lt;Principlesof Neuroscience gt;,5th ed)

这项新的研究指出眶额叶神经元在处理价值信息的时候已经呈现一种串行处理的方式,而其下游脑区则将眶额叶所提供的价值信息进行汇总,进一步做出判断。这其中还有许多谜团等待着我们去进一步探索。

作者:中国科学院神经科学研究所 聂车畅

参考文献

1.Xie Y, Nie C, Yang T (2018) Covert shiftof attention modulates the value encoding in the orbitofrontal cortex。 Elife7:e31507

2.Padoa-Schioppa C (2011) Neurobiology ofeconomic choice: a good-based model。 Annu Rev Neurosci 34:333–359

3.McGinty VB, Rangel A, Newsome WT (2016)Orbitofrontal Cortex Value Signals Depend on Fixation Location during FreeViewing。 Neuron:1–14

4.Rich EL,Wallis JD (2016)Decoding subjective decisions from orbitofrontal cortex。 Nat Publ Gr:1–10

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