編輯丨王多魚

排版丨水成文

生活中我們總會(huì)下意識(shí)地受近期經(jīng)歷影響做出選擇，這種“歷史偏向”（history bias）現(xiàn)象早已被發(fā)現(xiàn)，但相關(guān)記憶存儲(chǔ)、更新及轉(zhuǎn)化為行為的神經(jīng)原理一直成謎。

2026 年 6 月 10 日， 中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心穆宇團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)吳思團(tuán)隊(duì)合作（趙姍、單鶴贏、劉瀟為論文共同第一作者），在Nature期刊發(fā)表了題為：A Thalamus–Brainstem Attractor Network Drives History-Biased Decisions 的研究論文。

該研究利用斑馬魚幼魚全腦尺度單細(xì)胞分辨率鈣成像、閉環(huán)虛擬現(xiàn)實(shí)行為、光遺傳操控和神經(jīng)計(jì)算建模，揭示了大腦如何通過(guò)丘腦-腦干跨腦區(qū)協(xié)同，穩(wěn)定保存近期經(jīng)歷，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)未來(lái)行為的調(diào)節(jié)。

在真實(shí)世界中，動(dòng)物很少每次都從零開(kāi)始做決定。最近發(fā)生過(guò)的事情，往往會(huì)改變下一次選擇。例如，動(dòng)物在覓食或躲避風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，也常常會(huì)根據(jù)剛剛獲得的線索調(diào)整下一步行動(dòng)的方向。這種由近期經(jīng)歷影響當(dāng)前感知和行為的現(xiàn)象，被稱為序列依賴（serial dependence）或歷史偏向（history bias）。該現(xiàn)象廣泛存在于人類、哺乳動(dòng)物和昆蟲等多種動(dòng)物中，被認(rèn)為有助于大腦利用環(huán)境的連續(xù)性，提高行為效率。然而，過(guò)去的研究主要揭示了大腦中哪些區(qū)域攜帶歷史信息，而對(duì)于這些信息如何被穩(wěn)定保存、如何被靈活更新、又如何轉(zhuǎn)化為未來(lái)行為，仍缺乏清晰的全腦機(jī)制解釋。

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)建立了斑馬魚幼魚閉環(huán)虛擬現(xiàn)實(shí)避障行為系統(tǒng)。斑馬魚在虛擬環(huán)境中連續(xù)遇到來(lái)自左側(cè)或右側(cè)的障礙物，并通過(guò)游泳信號(hào)控制自身在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚對(duì)當(dāng)前障礙物的躲避行為不僅取決于當(dāng)前刺激，還顯著受到前一次甚至更早經(jīng)歷的影響。當(dāng)連續(xù)兩次障礙物出現(xiàn)在同一側(cè)時(shí)，斑馬魚會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的躲避反應(yīng)。這說(shuō)明，斑馬魚能夠在數(shù)十秒時(shí)間尺度上保存過(guò)去經(jīng)歷，并將其用于調(diào)節(jié)后續(xù)行為。

圖1. 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及斑馬魚幼魚連續(xù)避障中的歷史依賴行為

該研究的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是在行為過(guò)程中以單細(xì)胞分辨率同時(shí)記錄斑馬魚全腦神經(jīng)活動(dòng)，并將這些活動(dòng)信號(hào)與腦智卓越中心杜久林、杜旭飛團(tuán)隊(duì)建立的標(biāo)準(zhǔn)斑馬魚全腦圖譜進(jìn)行精確配準(zhǔn)。相比傳統(tǒng)研究中只觀察局部腦區(qū)或少量神經(jīng)元的方式，全腦尺度記錄與腦圖譜比對(duì)使研究人員能夠在完整腦網(wǎng)絡(luò)中，追蹤一次連續(xù)抉擇從感覺(jué)輸入、記憶保持、跨腦區(qū)整合到行為輸出的全過(guò)程。

基于圖譜配準(zhǔn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)全腦同步記錄到的神經(jīng)元進(jìn)行逐腦區(qū)比較，系統(tǒng)篩查哪些腦區(qū)能夠在障礙物消失后繼續(xù)保留歷史信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多個(gè)腦區(qū)都攜帶一定的歷史信號(hào)；其中，背側(cè)丘腦的表現(xiàn)最為突出，能夠最穩(wěn)定、最持久地通過(guò)持續(xù)活動(dòng)（persistent activity）區(qū)分最近一次障礙物來(lái)自左側(cè)還是右側(cè)。進(jìn)一步的光遺傳實(shí)驗(yàn)表明，抑制背側(cè)丘腦活動(dòng)會(huì)消除歷史依賴行為，而單側(cè)激活背側(cè)丘腦則可以人為寫入類似“過(guò)去經(jīng)歷”的信號(hào)，從而改變動(dòng)物下一次選擇。這表明，背側(cè)丘腦是維持近期經(jīng)歷并驅(qū)動(dòng)連續(xù)抉擇的關(guān)鍵腦區(qū)。

圖2. 行為過(guò)程中斑馬魚幼魚全腦神經(jīng)活動(dòng)的同步記錄與關(guān)鍵腦區(qū)篩查

進(jìn)一步分析顯示，背側(cè)丘腦并不是單獨(dú)完成整個(gè)計(jì)算。它更像一個(gè)“記憶開(kāi)關(guān)”，以穩(wěn)定的離散狀態(tài)保存最近一次經(jīng)歷；而位于腦干的下游神經(jīng)元群則像一個(gè)“積分器”，將丘腦提供的歷史信息與當(dāng)前感覺(jué)輸入相結(jié)合，形成能夠反映多次經(jīng)歷的連續(xù)信號(hào)，并最終影響行為輸出。也就是說(shuō)，大腦通過(guò)跨腦區(qū)分工協(xié)同，將一個(gè)短暫的感覺(jué)事件轉(zhuǎn)化為可持續(xù)、可更新、可用于未來(lái)行動(dòng)的內(nèi)部狀態(tài)。

圖3. 不同計(jì)算模塊的歷史信息解碼能力及其神經(jīng)動(dòng)力學(xué)

在鎖定關(guān)鍵腦區(qū)后，為進(jìn)一步理解這種跨腦區(qū)協(xié)同如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)依托腦智卓越中心杜久林、杜旭飛團(tuán)隊(duì)建立的斑馬魚全腦圖譜資源，將真實(shí)生物腦中相關(guān)腦區(qū)的細(xì)胞數(shù)量、神經(jīng)元類型和投射連接等信息引入建模過(guò)程，構(gòu)建了腦圖譜約束的全腦計(jì)算模型。基于腦圖譜約束，該模型將感覺(jué)輸入層、丘腦吸引子網(wǎng)絡(luò)和腦干積分器連接起來(lái)，能夠重現(xiàn)斑馬魚連續(xù)抉擇行為和相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)，并揭示抑制性神經(jīng)元異質(zhì)性對(duì)于穩(wěn)定記憶和靈活切換的重要作用。

從計(jì)算結(jié)構(gòu)上看，該模型提出了“吸引子-積分器”的全腦協(xié)同架構(gòu)：丘腦吸引子網(wǎng)絡(luò)以穩(wěn)定離散狀態(tài)保存最近經(jīng)歷，腦干積分器則基于吸引子狀態(tài)的遷移和當(dāng)前感覺(jué)輸入進(jìn)行信息整合，從而將短暫感覺(jué)事件轉(zhuǎn)化為可持續(xù)影響未來(lái)行為的內(nèi)部狀態(tài)。由此，模型從生物腦結(jié)構(gòu)和神經(jīng)算法兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，說(shuō)明穩(wěn)定記憶和靈活更新并非相互矛盾，而是可以通過(guò)不同腦區(qū)、不同神經(jīng)元類型和不同動(dòng)力學(xué)模塊的分工協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

圖4. “層級(jí)吸引子”模型架構(gòu)、活動(dòng)以及輸出的行為

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作表明，在全腦尺度、單細(xì)胞分辨率的研究范式下，全腦圖譜不僅是解剖學(xué)資源，也可以成為連接真實(shí)腦結(jié)構(gòu)和神經(jīng)計(jì)算原理的重要橋梁。進(jìn)一步的模型拓展還提示，類似架構(gòu)有望支持更長(zhǎng)時(shí)程的記憶擴(kuò)容和運(yùn)動(dòng)控制。也就是說(shuō)，這一全腦模型不僅解釋了斑馬魚如何利用過(guò)去經(jīng)驗(yàn)影響下一次選擇，也為未來(lái)具身智能系統(tǒng)和機(jī)器自主控制提供了來(lái)自全腦生物計(jì)算的啟發(fā)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10623-3