认知灵活性帮助我们适应不断变化的世界：小鼠研究揭示大脑如何学习新规则

世界每天都在变化，我们也需要跟着灵活调整。

比如，你在熟悉的上班路上因为前方施工不得不绕路；或者是刚下载了一款新的追剧App，想找到自己喜欢的电视剧，还得在不熟悉的操作界面里重新摸索。

面对新情况，我们需要及时调整已经成为习惯的做法。而要做到这一点，大脑也得跟着调整。具体来说，就是改变前额叶皮层（prefrontal cortex）的活动模式。

这个脑区负责注意力、计划和决策等重要的认知功能。

但有一个问题始终没有弄清楚：究竟是哪些神经回路在向前额叶皮层发出信号，告诉它：“情况变了，该换一种做法”了？

我所在的神经科学团队一直在研究大脑如何处理信息，以及这一功能受损后会发生什么。在最近发表的一项研究中，我们发现，前额叶皮层中有一类特殊的神经元，可能在帮助大脑灵活调整行为方面起着重要作用。

当这些神经元无法正常工作时，可能引发精神分裂症、双相情感障碍等精神疾病。

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抑制性神经元如何

帮助大脑学习新规则？

先来认识一种特殊的神经细胞：抑制性神经元（inhibitory neurons），它们会抑制其他神经元的活动。你可以把它们理解为大脑里的“刹车系统”：当某些神经活动不再需要时，它们能够帮助降低这些活动的强度。

过去，研究人员认为抑制性神经元主要通过电信号和化学信号，影响附近的其他神经元。但我们发现，前额叶皮层中有一类特殊的抑制性神经元，能够将信号传递给大脑另一半球的神经元。

这些远距离的抑制性连接，会不会帮助协调左右两侧前额叶皮层的活动，让我们在情况发生变化的时候能及时调整自己的行为？为了验证这个想法，我们设计了一项小鼠实验。

研究人员把食物藏在碗里，让小鼠通过翻找找到食物。

一开始，研究人员会设置一些线索，让小鼠判断食物的位置。比如，藏着食物的碗里可能有大蒜味，或是有沙子。小鼠只要学会识别正确的线索，就能找到食物。

但接下来，研究人员会把旧线索换成新的。小鼠需要放弃已经学会的旧规则，重新摸索新的规律，才能找到食物。

我们发现，当这些远距离抑制性连接的活动被暂时抑制后，小鼠就像被旧规则困住了一样。即使原来的线索已经不管用了，它们还是照着过去学会的规则寻找食物，很难改变做法。

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脑电波如何帮助我们

灵活调整行为？

研究过程中，我们还意外地发现：这些远距离抑制性连接不仅影响小鼠能否学会新规则，还能协调左右脑之间的一种特殊神经活动节奏——伽马振荡（gamma oscillations）。

大脑里的神经元活动并不是完全杂乱无章的。在某些情况下，大量神经元的活动会呈现出有规律的起伏。伽马振荡就是其中一种，频率大约为每秒40次。

当我们需要记住一些信息，或者根据电脑屏幕上看到的内容作出不同动作时，都可能检测到伽马振荡。

科学家早在几十年前就发现了这种脑电活动。不过，这些有节奏的波动究竟有什么作用，一直存在争议。有研究人员认为，不同脑区之间的伽马振荡即使同步出现，也不一定具有实际功能；另一些研究人员则认为，当不同脑区的神经活动保持同步，它们之间的信息交流可能会更加顺畅。

但我们的研究发现，伽马振荡的同步，可能还有一种完全不同的作用。除了可能帮助不同脑区交流，还可能决定哪些信息暂时不该传过去。

拿小鼠学习新规则的实验来说，当小鼠发现原来的线索已经找不到食物，需要放弃旧规则时，这些远距离抑制性连接会让左右前额叶皮层的伽马振荡同步。同时，它们似乎能够阻止一侧大脑中不再需要的活动模式，继续影响另一侧大脑。

也就是说：当大脑需要学习新规则时，这套机制可能会帮助它摆脱旧规则的干扰。

举个日常生活中的例子：你每天按照熟悉的路线开车上班的时候，左侧前额叶皮层可能在不断“提醒”右侧前额叶皮层，“这里应该右转，过去一直都是这么走的。”

但是当你遇到前方施工的情况，也就是远距离抑制性连接让两侧前额叶皮层的伽马振荡同步时，似乎就能暂时阻断这些旧信息的干扰，让大脑建立与新路线相对应的活动模式。

就好像大脑终于能够对自己说：“别再按老办法来了，现在得换条路。”

这些连接产生的影响，可能持续相当长的时间。在实验中，我们只抑制了一次这些连接的活动，小鼠在几天后学习新规则时仍然会遇到困难。

反过来，如果通过有节奏的刺激，让这些连接所协调的伽马振荡人为地保持同步，就能逆转这种学习障碍，让小鼠恢复正常的学习表现。

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认知灵活性与精神分裂症

有什么关系？

认知灵活性（cognitive flexibility），是我们适应环境变化的重要能力。而难以根据新情况调整过去学会的规则，正是精神分裂症和双相情感障碍等疾病中典型的一种认知功能障碍。

此前的研究已经发现，一些精神分裂症患者存在伽马振荡同步异常的现象，他们前额叶皮层中的某些抑制性神经元也存在异常，其中就包括我们此次研究涉及的那类神经元。

结合这些发现，我们的研究提出了一种可能性：

如果能够针对左右前额叶皮层之间的远距离抑制性连接进行干预，帮助大脑恢复正常的伽马振荡同步，也许就有机会改善精神分裂症患者的某些认知功能。

不过，这些神经连接究竟如何影响大脑的运作，还有许多问题没有弄清楚。比如，我们还不知道，前额叶皮层中到底是哪些神经细胞接收了这些远距离抑制性连接传来的信号，并因此改变自身的活动模式，让大脑能够学会新规则；我们也不清楚，是否存在某些特定的分子机制，能让这些神经活动的变化持续较长时间。

如果能找到这些问题的答案，我们或许就能更深入地理解，大脑是如何灵活地保留或更新已有信息的。这不仅能帮助我们进一步弄清楚认知灵活性是如何产生的，也可能为治疗精神分裂症及其他精神疾病提供新的思路。

来源：https://theconversation.com/cognitive-flexibility-is-essential-to-navigating-a-changing-world-new-research-in-mice-shows-how-your-brain-learns-new-rules-204259

原标题：《认知灵活性帮助我们适应不断变化的世界：小鼠研究揭示大脑如何学习新规则》

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