大脑的“监控”神经元：你如何知道自己犯了错？

来自西达-赛奈神经科学与医药中心神经外科部门（Cedars-Sinai’s Center for Neural Science and Medicine and Department of Neurosurgery）的研究员发现：位于大脑额叶的一群神经元的活动赋予了人们学习新技能所需的灵活度，同时也还使人们能集中精力提升专门的技巧。

于2022年5月发布于《科学》上的研究提供了对于大脑表现监控*（Performance Monitoring，一种用于维系日常生活的执行功能**）的重要认识。

*表现监控：类似计算机中的性能监控，对计算机运行特殊任务时的效率评分。在认知心理学中，人们类似于计算机，在正常 “运行” 时需要同时处理多项任务及任务组（Tasks/ Task-set）。例如讨价还价时就会涉及多个任务组：数字计算、社会交流、语言理解、语言生成、对视觉情绪因素的观察处理以及反应。而人为完成某个更宏观的目标，此处的讨教还价，需要对局部（计算折扣），以及全局（讨教还价）的表现做出评估与反馈。Schneider, D., & Logan, G. (2009). Task Switching. Encyclopedia Of Neuroscience, 869-874. doi: 10.1016/b978-008045046-9.00426-5

**执行功能（ Executive Functions）是对目标为控制，促进任务目标达成而服务的一系列认知功能，过程的的统称。这些能力的运行通常不会被人所关注，但是他们的缺失会对正常生活影响巨大。执行能力包括但不限于：注意力控制（ Attentional control）为达成目标而控制，分配注意力资源的能力；工作记忆（ Working Memory）为当下任务的执行，处理而临时储存所需信息的能力；认知弹性（ Cognitive Flexibility）为面对，完成的不同的任务而调整认知工作组（Task-set）与相对应工作组规则（ Task rules）的能力。Executive functions - Wikipedia. (2022). Retrieved 30 May 2022, from https://en.m.wikipedia.org/wiki/Executive_functions

这项研究的主要发现是大脑会运用同一群神经元来在不同情景下收集反馈——无论是当人尝试一个新任务或者提升复杂技巧时。

“人类大脑的魔力之一就是它是如此灵活。”此研究的通讯作者乌利·鲁蒂斯豪泽（Ueli Rutishauser）博士说道，他是一位神经外科、神经病学生物药教授，并且担任神经科学理事会主席以及神经科学和医学中心主任。“我们的实验设计是为了探究大脑如何同时拥有两种对完成目标至关重要的能力：泛化（Generalisation）及专门化。”

- Mikael MOUNE -

日常表现监控是一种自我生成的反馈，是一种内部信号*。表现监控使人们意识到他们犯了错。就好比开车时人们意识到开过头了，错过了他们的出口。另一个例子是在聊天中，人们可以意识到自己刚刚说的有些许不妥。

一般情况下，人通过两种信号来实现表现监控：内部信号（Internal Signals）和外部信号 （External Signals）。内部信号由个体自身产生，而外部信号则源自外部环境。一个人的情绪状态就属于内部信号，而在交流时他人的感情是源自外部的，属于通过观测收到的外部信号。Processing of Internal and External Signals for Performance Monitoring in the Context of Emotional Faces. Advances in Cognitive Psychology. 13. 190-200. 10.5709/acp-0219-5.

“那些人们对自己说 ‘ 哎呀’ 、‘ 我干了什么’ 的时候就是表现监控正在工作。”来自鲁蒂斯豪泽实验室的博士后研究员付钟正评论道，他也是这项研究的第一作者。

这些反馈信号会将相关信息传递至大脑管理情绪、记忆、计划和解决问题的区域以便于吸取教训，让失败成为成功之母。不仅如此，通过表现检测，大脑还可以根据所面对的问题的难度而相应地调整目标。

“所以那些‘哎呀’可以帮助一个人在下次与朋友聊天的时候更小心，或者下次回家时会计划好，不会忘记去买菜。”付钟正评论道。

- Mikael MOUNE -

为了观察表现监控究竟是如何工作的，研究者记录了癫痫患者被试的内侧额叶皮层*（Medial Frontal Cortex）单个神经元的活动。这些被试因为他们的治疗而植入了可以帮助定位癫痫灶的电极。具体来说，这些患者的内侧额叶皮质中被植入了电极，而内侧额叶皮质是大脑中主要负责性能监控的区域。

内侧额叶在认知控制（Cognitive Control）中发挥重要作用，尤其是在执行目标导向的任务时。当人产生失误（Errors）、面对冲突（Conflicts）、决策中的不确定因素（Decision Uncertainty）时会刺激此区域，这些活动大多都与表现监控有关（Performance Monitoring）。此区域的活动通常伴随着外侧前额叶皮层的活动（Lateral Prefrontal Cortex），而侧前叶皮层负责表现监控后的表现调整（Performance Ajustment）部分。Ridderinkhof, K., Ullsperger, M., Crone, E., & Nieuwenhuis, S. (2004). The Role of the Medial Frontal Cortex in Cognitive Control. Science, 306(5695), 443-447. doi: 10.1126/science.1100301

其中一项实验采用斯特鲁普任务*（Stroop task），实验中被试需要无视字的意义而汇报字体颜色。例如，被试看见一个用绿色写的“红”，他们应该说字体颜色“绿”而不是字义“红”。

鲁蒂斯豪泽评论道：“这种任务会让大脑陷入矛盾——你有几十年的阅读经验，但是现在你得遏制住阅读的习惯且汇报字体颜色。”

在另一项多元干扰任务*（Multi-source Inference Task）中，被试会在屏幕上看见三个数字。三个数字中有两个相同一个不同，例如：“1-2-2”。那么被试需要遏制他们按与“2”相关联的按键而去按不同数字“1”的按键。

多元干扰任务，当看见“1-2-2”（数字个数可能随需要改变，难度也会因数字，字符个数增加而该该表）时被试需要无时个数更多数字（两个“2”），汇报个数更少的那个数字（一个“1”）。类似于斯特鲁普任务（Stroop Task）, 也分为相同试验两种：相同与不同试验（Congruent “1-1-1”/ Incongruent “1-2-2”）。相似的，在相似试验中任务组之间冲突更小，难度更小。

“这两个任务都有效地测量了表现监控如何在跨认知领域的不同情境中发挥作用。”付钟正评价道。

研究员在被试执行这些任务时发现了两种不同的神经元：一种“失误”（Errors）神经元会在每次被试失误后放电；另一种“冲突”（Conflict）神经元会依据被试的任务难度而反应*。

正如先前在斯特鲁普与多元干扰任务中提到的，有些时候任务及生活中的许多难事的难度都是由不同任务组规则所得出的答案所产生的冲突而造成的。

“我们在这个脑区观测到的神经活动令人惊讶，因为这里大部分的神经元仅在行为发生后或者决定产生后才会激活。这说明这个区域的作用是在事后评估决定，而不是事先参与到决策过程中。”

表现监测包括两种：通用监测（Domain general）和专项监测（Domain specific）。通用表现监测能在任何类型的任务中中监测到并且提示我们错误的发生——不论是开车走错了路，还是在成语接龙有没有接对，又或是社交中是否掌握了分寸。不同于机器，通过这种能力，人可以在没有事先说明的情况下能够胜任一个新任务。

付钟正补充道：“经过训练后，机器可以将一种事情做到极致。一台机器可以学会煎汉堡翻汉堡，但是机器不能将同样的技巧泛化至煎饺——而人类可以，因为我们有通用技能监测。”

专项表现监测则会告诉人们究竟是什么出了错，具体到走错路是因为上个路口没转弯，社交时尴尬是因为说错了话以及成语接龙犯规因为不是成语。知道错误究竟在哪里也是精进技能的途径之一。

- Mikael MOUNE -

意料之外的是，通用表现监测和专项检测信号在内侧额叶皮层是交互混杂的。

“曾经我们认为大脑会将两者分开，一块区域专门处理通用表现监测，另一块独立区域负责专项监测。” 鲁蒂斯豪泽解释道。

“我们的实验证明并不是这样，我们了解到是同一组神经元胜任了这两种工作。如果你像窃听风云一样偷听这群神经元的话，你能从神经元的活动中听出两种信息。”

鲁蒂斯豪泽评论道：“如果你想了解这些神经信号是怎么被大脑的其他区域理解的，那么你可以把神经元想象成交响乐团里一个个音乐家。”

“如果每个‘乐手’都我行我素的话——那么对于听众，也就是接受这些信号的区域来说——他们只能听到混乱不堪的音符。”鲁蒂斯豪泽总结道。