我覺得我可以寫一個【唱唱反調】系列了 *...... 今天又來講一篇批判神經科學研究常用手段的文章。
-《神經迴路操控的急性脫靶效應》於半年前(2015.12)發表於《自然》。
作者試圖解答或者不如說揭示的是這樣一個問題：當我們將某一功能定位在大腦的特定區域時，常用的手法有損傷，刺激和抑制。然而這些方法有時會帶來不同的後果——那麼當我們談論腦區的功能時，我們真的知道我們在說什麼嗎?
文章包含兩個主要的實驗，總結如下圖所示：
圖出自同期評論文章[2]
長期損傷大鼠的運動皮層，對其執行一項習得的複雜任務並無影響;
急性刺激或抑制同一區域，大鼠在操縱期間無法執行同一任務。
同樣的，長期損傷草雀的 Nif(一個聽覺 - 運動皮層區)，對小鳥唱歌並無影響;
急性抑制 Nif，小鳥無法正常唱歌。
下面簡略介紹實驗結果，然後討論一下我的看法。
以下是具體的實驗結果：
大鼠部分
1. 損傷大鼠運動皮層未能廢除對習得技能的執行：
這一結果出自作者的前一篇文章[3]。大鼠被訓練按壓一個槓桿兩次，但在兩次按壓之間的間隔要在 700 毫秒以上。這對大鼠來說是非常困難的——他們實際上做出一些迷信的動作來填補這一空白，就像斯金納的鴿子一樣[4]。建議能夠看到原文的讀者去原文網站看影片。他們採取的策略大概是按一下，拍拍手跺跺腳，再按一下。這一任務的訓練需要運動皮層：如果在訓練前損傷運動皮層則大鼠無法習得任務[3]。
當大鼠們終於學會這一技能時，實驗人員用鵝膏蕈氨酸 (ibotenic acid, a glutamate agonist) 損傷大鼠的整個運動皮層。然而經過幾天的休息，大鼠第一次 ****再次執行這一任務時的表現毫無變化：
上：行為實驗設計，口渴的大鼠需按槓桿一次，間隔 700 毫秒以上再按一次，以獲取水。
下左：運動皮層損傷示意圖：損傷實際上恐怕已經超出了前肢運動皮層的範圍。
中：損傷前(深色)和損傷後(淺色)前肢位置隨時間變化的曲線，幾乎沒有差別。
右：損傷前後執行任務的成功率亦無差別。
2. 急性抑制大鼠運動皮層干擾同一任務的執行：
這是本文第一個新的實驗 **。如果可以損傷整個運動皮層的話，似乎意味著運動皮層和這一任務的執行沒什麼關係。那麼抑制其活動應該也不會有什麼影響吧?
聰明的你一定猜到了，恰恰相反。當作者在運動皮層注射蠅蕈素 (Muscimol, GABA agonist) 以抑制其中神經元的活動時(圖左黑色切片中的白色亮點為注射位置)，大鼠對同一任務的執行受到了嚴重的阻礙。
3. 急性刺激大鼠運動皮層干擾同一任務的執行：
這個實驗我覺得肯定是評審員不滿意“怎麼沒有光遺傳實驗!”而後來加上去的。
作者利用遠端控制的光源刺激運動皮層細胞，發現獲得了與蠅蕈素抑制類似的結果：同樣干擾了任務的執行。
斑胸草雀部分
0. 草雀神經解剖學 - 下列實驗需要讀者對草雀的腦回路有一定認識，具體來說如下圖：
最重要的就是(你只需要知道)神經核 Nif (Nucleus interface of the nidopallium, 介面核)與 HVC 間有刺激性連線。
1. Nif 損傷未能阻止成年草雀的完整歌唱
這裡作者再現了之前學界已經知道的結果[5]：損傷 Nif 後，成年草雀仍能正常唱歌。上圖上方為損傷前的歌，下為損傷後第一天的歌。可見 Nif 並非正常唱歌所必須。
那麼我們是否能抑制 Nif 的活動而不影響唱歌行為呢?我想不用說你也知道……
2. 急性抑制 Nif 干擾草雀唱歌：
作者向 Nif 注射蠅蕈素(上圖第二行)，草雀的歌聲果然失去了原有的結構。上圖第一行：注射前;第三行：同一位置注射生理鹽水的控制實驗;第四行：在 Nif 上方注射蠅蕈素的實驗(這是因為 Nif 靠近 HVC，在 Nif 和 HVC 之間注射蠅蕈素未能獲得同樣效果證明第二行的症狀並非由於藥物滲透到 HVC)。
有趣的是，抑制 Nif 對歌聲產生的效應與 HVC 損傷類似： 二者都使草雀鳴叫聲的長度失去唱歌時特有的分佈。
這使得作者懷疑抑制 Nif 是否影響 HVC 的正常活動(因為已經知道 Nif 向 HVC 提供刺激性輸入)。
3. HVC 神經元活動在 Nif 損傷後先停止，後逐漸恢復
作者用電極記錄了 HVC 神經元的活動。他們發現當 Nif 剛被損傷時，HVC 的自主活動幾乎完全停止。但是在幾個小時後，HVC 的活動逐漸恢復到了原來的水平。不僅如此，HVC 在唱歌時的活動也隨著時間逐漸恢復到了 Nif 損傷前的結構：
4. Nif 損傷後唱歌行為和 HVC 活動恢復的機制：共火鏈和動態平衡假說
為了解釋 HVC 活動，從而唱歌行為，是如何受 Nif 損傷影響以及如何恢復的，作者提出以下假說：
HVC 的活動可以被共火鏈 (synfire chain, 見 HVC 和共火鏈模型) 模型解釋，而如果向共火鏈加入來自 Nif 的隨機刺激性輸入(如下圖)，那麼就可以解釋為何 Nif 損傷會阻止 HVC 的正常活動了：減少刺激性輸入使得共火鏈上的各單元無法得到足夠的刺激，無法放電。
而在 Nif 損傷後 HVC 活動的逐漸恢復可以由生物體內隨處可見的動態平衡解釋：例如，每個神經元的放電閾值可能隨著活動的停止逐漸降低。
那麼怎麼知道這一模型是否有效呢?其中一個方法是考察根據其所作出的預測是否與實際相符。作者選擇了每次歌唱主題的完整度，和主題時長的延伸兩個指標。這是因為在 Nif 損傷後，有些主題還沒唱完就提早結束了：例如一首歌是 ABCD, 有時候他只唱 A 或只唱 AB;另一方面，主題的時長在 Nif 損傷後的一段時間比損傷前要長：ABCD 本來有 1 秒長，損傷後一段時間可能有 1.1 秒長。
作者透過模擬實驗發現，共火鏈模型同樣表現出了這兩個特徵：
上圖左為模型預測，右為實際觀測到的歌唱行為。兩者大致相似，一定程度上支援了模型的合理性——當然，遠不能證明模型一定正確。
以下是一點評論：
特別是近幾年，幾乎每週都能看到一個大新聞：《科學家發現了大腦中負責 XX 的中心》。
每次看到這樣的標題都覺得無奈：媒體這樣報道自然是因為更吸引眼球。然而一個區域“負責”一個行為是什麼意思呢?
對腦區功能定位的研究由來已久。從最早的腦損傷病人，到最新的光遺傳學控制，我們有大量的【損傷 / 刺激 / 抑制 某一腦區 -> 行為 x 發生 y 變化 / 不發生變化】的資料。本文雄辯的證明了單看任何一種並不能夠得出此腦區如何參與或不參與相應行為的結論。不幸的是媒體，甚至一些科研人員本身，仍然常常陷入“對某區域的改變影響行為則該區域負責該行為”這一思維陷阱。
該如何定義腦區功能呢?我覺得這其實是一個偽命題：執行一個任務當然需要多個不同區域的協作，而中斷任意一環自然會改變行為的某一方面。尋找一個行為的“負責腦區”就像顱相學一樣註定失敗。我們更感興趣的應該是當一個區域參與某一功能時，它的輸入和輸出是什麼，所進行的運算是什麼?舉例而言，如果我們明確知道中腦多巴胺系統計算的是預期獎勵與實際獲得獎勵的偏差，並且此偏差是用於運動系統進行強化學習的獎勵訊號 ***——那麼我們還會在乎關於此腦區是不是獎勵中心的辯論嗎?
這個道理講出來是很明白的，但這篇文章的意義之一還在於它試圖挑戰“為什麼?”
文章給出的動態平衡機制就是一個很好的思路，而且給出模擬資料可以說是誠意滿滿。而 Nif 在成年草雀腦中僅給 HVC 隨機輸入其實是一個很有趣的想法……這裡先不展開談。
* 這一還不存在的系列的另一篇：神經科學家能理解微處理器嗎?大資料時代神經科學的理論困境
** 新的實驗不意味著實驗本身在時間上更新，只是發表時間更新而已。
*** 這是主流的理論，但是還沒有得到共識。
**** 實驗考察大鼠在損傷手術後的第一次任務執行，這一點尤為重要。因為這排除了其他腦區替代運動皮層重新學習任務的可能。
[1] Otchy, T. M., Wolff, S. B. E., Rhee, J. Y., Pehlevan, C., Kawai, R., Kempf, A., … Ölveczky, B. P. (2015). Acute off-target effects of neural circuit manipulations. Nature, 528(7582), 358–363.
[2] Südhof, T. C. (2015). Reproducibility: Experimental mismatch in neural circuits. Nature, 528(7582), 338–339.
[3] Kawai, R., Markman, T., Poddar, R., Ko, R., Fantana, A. L., Dhawale, A. K., … Ölveczky, B. P. (2015). Motor Cortex Is Required for Learning but Not for Executing a Motor Skill. Neuron, 86(3), 800–812.
[4] Skinner, B. F. (1948). Superstition in the pigeon. Journal of Experimental Psychology, 38(2), 168–172.
[5] Cardin, J. A. (2004). Sensorimotor Nucleus NIf Is Necessary for Auditory Processing But Not Vocal Motor Output in the Avian Song System. Journal of Neurophysiology, 93(4), 2157–2166.