Nature：大腦如何通過經驗來“預測未來”？最新研究發現海馬中獎賞的“預測性編碼”新機制

來源：brainnews

預測未來是大腦的核心功能，依賴對狀態及其轉換關系的學習。海馬的空間認知地圖被認為是一種內部模型，但其神經表征兼具預測編碼與獎賞敏感性，提示功能超越空間導航。近日，麥吉爾大學Mark P. Brandon在Nature發表相關研究論文。本研究在小鼠學習獎賞任務的數周過程中追蹤海馬獎賞表征的演化。結果表明：隨著經驗積累，群體和單細胞水平的獎賞編碼均減弱，而對獎賞前線索的表征增強；獎賞調諧神經元的活動逐漸從獎賞時刻向前提前，呈現經驗依賴的“向后偏移”。該動態重組可被時序差分位置野模型重現。研究揭示海馬表征具有高度可塑性，其核心作用在于通過預測未來獎賞支持學習。

圖1 海馬神經元編碼分析

本研究采用單光子微型頭戴式熒光顯微鏡對7只小鼠背側海馬CA1區行鈣成像，通過注射病毒載體使其表達鈣離子指示劑GCaMP6f并靶向CA1區植入梯度折射率透鏡；鈣成像數據經預處理校正運動偽影、分割細胞、提取鈣瞬變及反卷積信號軌跡，跨實驗階段及個體共記錄神經元504±101個，同時采用20×18 cm自動化觸摸屏箱監測小鼠行為，該裝置含正面觸摸屏、后方獎勵端口及頂部紅外攝像機訓練小鼠執行延遲非位置匹配任務，起始后屏幕隨機呈現單側樣本，小鼠鼻觸后進入延遲階段，延遲結束后聲光電信號提示其返回籠尾穿光束啟動選擇階段，需選擇非匹配方塊以獲獎勵；小鼠每日完成1個實驗階段，達標后延長延遲時長提升難度，此舉旨在區分實驗經驗與學習過程對海馬神經元活動的獨立作用并維持小鼠持續學習以激活相關神經環路，結果顯示各延遲條件下小鼠任務表現隨訓練逐步提升。

圖2 學習驅動海馬獎賞前編碼增強

本研究采用與獎賞表征分析相同的方法，量化海馬對獎賞前事件編碼的演化，具體包括屏幕選擇期（觸屏前后±150 ms）和獎賞接近期（從選擇到抵達獎賞口之間的奔跑階段）。結果顯示，CA1中存在分別編碼左、右選擇的神經元亞群。與獎賞編碼隨學習減弱相反，屏幕選擇期的群體信息量隨訓練天數和行為表現顯著增加，獎賞接近期的編碼也呈現類似增強趨勢。在單細胞水平，鑒定出部分神經元特異性響應屏幕選擇或獎賞接近，其比例同樣隨訓練進程和任務表現上升。此外，獎賞接近細胞對不同大小獎賞的趨近反應存在顯著差異，表明其活動受獎賞幅度調制。綜上，隨經驗積累，海馬對獎賞本身的編碼減弱，而對獎賞前線索的編碼增強，體現出從反應性表征向預測性表征的動態轉變。

圖3 學習過程中獎賞編碼的向后偏移

在所有小鼠中，共追蹤到1,814個神經元，其中225個為獎賞細胞，225個為屏幕選擇細胞，53個為獎賞接近細胞，其余為未分類細胞。分析顯示，大量獎賞細胞在訓練過程中表現出活動時間窗從獎賞時刻逐漸前移至獎賞接近期甚至屏幕選擇期即“向后偏移”。具體而言，獎賞細胞和獎賞接近細胞的反應時序與訓練天數呈顯著負相關；通過置換檢驗，21%的獎賞細胞（47/225）呈現顯著向后偏移，遠高于5%的隨機水平，其中60%最終被重新歸類為屏幕或獎賞接近細胞。相比之下，前向偏移的獎賞細胞僅達隨機水平。而屏幕和獎賞接近細胞則同時存在前移和后移。此外，多種細胞類型的反應幅度隨訓練天數下降，提示除時序偏移外，神經元活動強度減弱也共同導致群體水平獎賞表征的衰減。這些結果表明，海馬神經元通過動態調整編碼時序與強度，將表征重心從獎賞本身轉向其預測性線索。

總結

研究結合小鼠CA1區大尺度神經元群體記錄與自動化觸屏獎賞任務，探究海馬中獎賞編碼的長期動態變化。結果顯示，隨著學習進行，獎賞信號逐漸減弱，而對預測獎賞的線索反應則顯著增強。這一“向后偏移”機制為理解大腦如何通過經驗優化未來行為提供了關鍵神經證據。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09958-0

參考文獻

Yaghoubi M, Kumar MG, Nieto-Posadas A, Mosser CA, Gisiger T, Wilson é, Pehlevan C, Williams S, Brandon MP. Predictive coding of reward in the hippocampus. Nature. 2026 Jan 14. doi: 10.1038/s41586-025-09958-0. Epub ahead of print. PMID: 41535460.

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