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研究侧前额叶的一点儿失败教训 精选

已有 5792 次阅读 2017-9-21 09:35 |系统分类:科研笔记|关键词:学者| 脑科学, 前额叶, 电生理, 电极阵列

研究侧前额叶的一点儿失败教训

一年前,我博二刚开学。那时候我们将一个电极阵列成功地植入了动物的侧前额叶(上图红框所示)。手术很成功,一年过去了,电极阵列依然有大概三分之一可以采集到动作电位,不得不说这是一个令人愉快的例外,因为按照以往的经验,三个月以后电极阵列的信号就会变差。

但尴尬的是,纵然我拥有天时地利人和,我预期的实验结果却没有出现。这非常出乎我的意料,根据我的了解,侧前额叶的神经元动作电位发放率可以编码各种各样的信息,包括图形刺激、图形类别、任务规则、知觉决策、行为选择、工作记忆、时间长短、刺激顺序、注意、奖惩、联结等等信息,几乎是一个全能脑区,可谓大脑中最高级的地区。我想当然地认为,我所研究的内容也会在这个脑区出现,但经过至少四次不同的尝试,我没有得到我想要的结果。而我只是把电极阵列打在了侧前额叶的一个很小的部分,所以我还不能得出结论说:侧前额叶不能编码我想要的现象,只能说我所考察的部分不能编码。

预定的计划无法实现,而电极阵列信号又没有变得很差,所以我尝试用不同实验探索这个脑区,企图获得一些新发现,但正如科研领域中经常发生的一样,我能发现的都是别人已经发现过的或没有多少新意的东西,比如侧前额叶当前试次的动作电位能编码过去试次的行为选择、正确与否、刺激内容,也能在任务切换时编码当前进行的任务,这都不是什么新东西了。

虽然我没有发现新的现象,但我还是得到了一些成长和收获。

第一、我学会了在“耕耘以后没有收获”的状况下坚忍。我的确羡慕那些一入这行就收获得盆满钵满的人,如果我也能快速突破课题、顺利毕业,那该多好。不过每个人虽然都懂得如何去面对成功和顺境,却并非都懂得面对阻碍和停滞,而这才是更具挑战性的课题。我为当前科研上的停滞不前而感恩,我的信仰给我力量在“不结果的年份”不至沮丧和惊慌,让我以积极的态度面对自己的处境,接下来会面临什么我不知道也无法预测,但我知道我所信的那位必为我预备道路。

第二、我们将要观察到的会比论文表面所呈现的要复杂得多。这是理所当然的,但并非人人都会把这当作一个警示,从而促使自己在阅读论文时带着警惕或敏锐的判断,以及对研究过程的设想和发问,没有这些积极深入的阅读习惯,我们很可能被论文的表面结果所满足从而对真实的研究对象产生误解。以侧前额叶为例,研究的论文一大堆,结果也很丰富,当我把许多论文阅读完以后,在头脑中形成了一个对侧前额叶的大概印象,并且形成了一个对自己的实验的预期,但当我自己真正开始采集数据时才发现,我的电极阵列下面所记录的神经元编码的内容不均质,以至于当我想寻找编码同类信息的神经元时,我能找到的数量非常少,无法进行统计,也不方便写入论文。这与低中级视觉皮层不同,同一电极阵列下的细胞基本上编码相近的信息。我后来的反思是:我没有仔细推敲别人的论文背后所面临的困难以及所暗示的这个皮层的复杂性。既然这个脑区可以编码各种东西,那么我的电极阵列一旦打下去,很可能不同电极下的细胞编码不同事物,最后就无法统计。如果我当初能想到这个难处,并且重视这个难点,我当初就不至于到侧前额叶来开辟战场。了解研究对象的各种复杂性是很重要的预备。


第三、传统的研究手段可能无法帮助我们有效理解侧前额叶。侧前额叶的第一个特点是神经元的动作电位发放率具有严重的变异性,我往往需要150个试次的数据才能绘制出一条比较可靠的PSTH曲线,这也为神经解码带来了阻碍。为什么这个脑区的变异性如此严重?这种变异的源头是什么?我的初步猜测是:因为每个试次中神经元都同时编码了当前的多种信息以及过去试次的一些信息,所以变异很高。第二个特点是缺乏明确的感受野。研究FEF和VPA的人都或多或少能在视野空间中为所记录的细胞找到一个有限的感受野,并有办法绘制出一个边界来,但我所记录的侧前额叶没有明确的感受野。一些细胞有对视觉刺激响应最强烈的视野位置,但能区分两个刺激的位置却在视觉刺激响应较弱的位置,一些细胞对全屏响应,一些细胞对半侧的屏幕响应(见图二),但对另一侧也有较弱响应,总之,我无法用椭圆来绘制感受野。第三个特点是大杂烩。一个电极下的细胞可能编码工作记忆,但它旁边的电极下的细胞可能不编码工作记忆,而是编码运动方向(见图三),再旁边的一个可能会编码目标位置,我无法看到这样的理想情景:编码运动方向的电极在一处,编码目标位置的在另一处。我的48道电极相当于许多不同种类的水果散乱摆放,这使得统计难以进行。所以侧前额叶是不是真的在功能组织上是散乱的、没有规则的?如何能描绘出一个侧前额叶的清晰拓扑图来?如果我们不清楚在侧前额叶的哪个位置集中埋藏了编码哪些信息的细胞,我们植入电极时便会非常盲目。第四个特点是PSTH不规则。我说不规则是与视觉皮层相对的,视觉皮层的PSTH一般先有一个initial peak或dip,然后逐渐走向平稳,但侧前额叶有的电极下的PSTH形状五花八门。研究视觉皮层时,有时人们会直接计算一段时间内的spike总量在两个条件下是否有差异,但在侧前额叶,有的细胞在总量上没有显著差异,而在这段时间内的PSTH波形却显著不同,这使得许多传统的电生理数据呈现方式无法得以运用。第五个特点是难以发现有些细胞的功能。有些电极信号本来还不错,但绘制出PSTH后无法区分我所尝试的任意两种条件,有人认为脑子里本来就有很多这类不具有区分力的细胞,但我在V4的电极阵列并没有遇上,而在侧前额叶则比较多,而且相对集中在电极阵列的右上侧,所以我怀疑是我们的研究方法不足以显示这群细胞的功能。假如我们说每个试次都会导致视觉皮层喊一嗓子,那么在侧前额叶则可能是要唱一首歌,一个试次的信息可能会在这个脑区反复流窜,对于这样一个脑区,研究视觉皮层的传统手段不再管用。


尽管有许多人研究了侧前额叶,但这个脑区至今没有被划分出明确的小区域来,各种不同的信息如何在这里进行整合?这里又是如何在整合信息以后指导行为、指导记忆或指导其他高级脑区对感觉皮层进行自上而下的影响?这些问题如果不能回答,我们无法理解侧前额叶的功能和工作机制。




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