《複雜行為期間的全腦神經活動圖譜》（A brain-wide map of neural activity during complex behaviour）
人類的大腦是宇宙中最複雜的物體之一，長期以來，神經科學家就像是「瞎子摸象」寓言中的探索者。有的實驗室專精於視覺皮層，認為那是感知的核心；有的專注於運動皮層，研究行動的起源。然而，當一隻小鼠看見貓並決定逃跑時，牠的大腦並不是被切割成獨立的部門運作，而是一個統一的整體。過去，由於技術與資源的限制，我們難以同時窺探大腦在進行複雜決策時的全貌。
2025年，一項由「國際大腦實驗室」（International Brain Laboratory, IBL）發表的里程碑式研究打破了這個僵局。這項跨越歐美 12 個頂尖實驗室的合作計畫，以前所未有的規模，繪製了小鼠在進行決策行為時的「全腦神經活動圖譜」。這不僅僅是一篇論文，它更像是神經科學界的「人類基因組計畫」，為我們理解大腦如何整合感覺、記憶與行動，提供了一張詳盡的導航圖。
透過標準化的實驗流程與先進的探針技術，科學家們記錄了超過 60 萬個神經元的活動，橫跨大腦 279 個區域 。這項研究顛覆了許多我們對大腦運作的傳統想像，揭示了決策並非僅發生在高等皮層，而是深植於大腦深處的古老結構中。讓我們一起走進這場大腦的交響樂，聆聽神經元如何共同譜寫行為的樂章。歷史性的跨國合作：克服科學的「巴別塔」
神經科學長期面臨一個名為「再現性危機」的挑戰。不同實驗室使用不同的設備、不同的分析方法，甚至訓練動物的方式也有些微差異，導致甲實驗室在 A 腦區看到的現象，乙實驗室未必能重現 。這就像一群建築師試圖蓋一座塔，但每個人的尺規和藍圖都不一樣，最終難以拼湊出大腦的完整功能。IBL 的成立正是為了解決這個問題，他們試圖建立一套通用的「語言」和「標準」，讓全球的數據能夠無縫整合。
為了達成這個目標，來自不同國家的 12 個實驗室必須嚴格執行完全相同的實驗協議。從訓練小鼠的裝置、螢幕的亮度、轉輪的阻力，到植入大腦的探針位置，每一個細節都被標準化 。這在科學史上是極為罕見的合作模式。這種標準化確保了當我們看到某個神經元的反應時，它是真實的生物學現象，而不是因為某個實驗室的燈比較亮或設備雜訊較大所造成的誤差。
這項計畫的核心技術依賴於「Neuropixels」探針。這是一種比頭髮還細的高科技矽晶片，上面佈滿了數百個微小的電極，能夠同時記錄數百甚至數千個神經元的電位活動 。研究團隊總共進行了 699 次探針插入實驗，累積了高達 621,733 個神經元的數據 。這樣龐大的數據量，讓科學家第一次有機會不只是「管中窺豹」，而是真正地看見大腦在思考時的「全景圖」，從皮層到深層腦幹，無一遺漏。
小鼠的抉擇時刻：一個標準化的決策任務
為了理解大腦如何思考，科學家設計了一個看似簡單實則包含複雜認知的任務。小鼠被固定在一個裝置上，前爪放在一個類似樂高積木的輪子上，眼前有一個螢幕 。實驗開始時，螢幕左側或右側會出現一個名為「Gabor patch」的黑白條紋圖案（視覺刺激）。小鼠的任務是轉動輪子，將這個圖案移動到螢幕正中央。如果牠做對了，就會得到一滴甜水作為獎勵；如果做錯了，則會聽到一段刺耳的噪音並受到短暫的時間懲罰 。
這個任務的巧妙之處在於它不僅僅是看和動。實驗中設計了不同的難度，有時候圖案對比度很高，很容易看清；有時候對比度極低，甚至完全沒有圖案（0% 對比度），這時小鼠必須依賴「經驗」來猜測 。此外，實驗還引入了「區塊」（Block）機制：在某些時段，圖案出現在右邊的機率高達 80%；而在另一些時段，則多半出現在左邊 。這迫使小鼠不能只靠眼睛，還必須動腦記住最近的規律，形成一種「內在期望」或「先驗知識」。
因此，這個看似簡單的轉輪子行為，實際上涵蓋了完整的認知過程：感覺輸入（看見圖案）、整合記憶（現在是左邊機率大的時段嗎？）、決策制定（我該往哪轉？）、運動執行（轉動輪子）以及結果評估（好喝的水或討厭的噪音）。這正是 IBL 想要解碼的「複雜行為」。透過分析小鼠在執行這個任務時每一毫秒的神經活動，科學家得以追蹤一個想法是如何在大腦中誕生、傳遞並轉化為行動的。
視覺的旅程：從皮層到腦幹的漣漪
當螢幕上的圖案出現時，大腦的第一反應自然是處理視覺訊息。研究發現，正如教科書所預期的，視覺皮層（Visual Cortex）和視丘（Thalamus）中的神經元最早出現反應 。這些區域像是大腦的「前哨站」，在刺激出現後的短短幾十毫秒內，神經元便開始劇烈放電，精確地編碼圖案是出現在左邊還是右邊。這些早期的訊號是短暫且快速的，主要反映了外界的物理刺激 。
然而，故事並沒有在這裡結束。IBL 的全腦圖譜顯示，視覺訊號並沒有停留在視覺皮層，而是像投入水中的石頭激起的漣漪一樣，迅速擴散到大腦的其他區域。令人驚訝的是，這些訊號傳遞到了中腦（Midbrain）和後腦（Hindbrain）等傳統上被認為只負責低級反射或運動控制的區域 。在這些深層區域，視覺訊息的表現形式發生了變化，不再是短暫的脈衝，而是呈現出一種「斜坡狀」（ramp-like）的活動模式，隨著時間推移逐漸增強 。
這種從「短暫脈衝」到「持續斜坡」的轉變非常關鍵。它暗示了大腦正在將「我看到了一個東西」（感覺）轉化為「我應該做什麼」（行動準備）。即使在控制了小鼠的運動變數後，這些深層腦區依然顯示出對視覺刺激的強烈反應 。這告訴我們，視覺處理並不是一條單向通往大腦皮層的直線，而是一個全腦參與的網絡，連接著大腦中最古老的結構，為接下來的決策做準備。
決策的民主：誰是真正的總指揮？
在神經科學的傳統觀點中，大腦皮層（特別是前額葉皮層）常被視為公司的「執行長」，負責做出決策並向其餘部分下達命令。然而，IBL 的研究結果對這種「皮層中心論」提出了挑戰。當科學家分析大腦如何編碼「向左轉」或「向右轉」的選擇時，他們發現相關的神經訊號幾乎遍布全腦 。這意味著，決策並非發生在單一的「總指揮室」，而是全腦神經元共同協商的結果。
更令人震驚的是，最強烈、最能預測小鼠即將做出什麼選擇的訊號，並非來自高等皮層，而是來自中腦、後腦和小腦 。具體來說，像網狀結構（Reticular Formation）中的 GRN 和 MRN 等區域，在運動開始前就展現出了極強的選擇性活動 。這些區域過去常被認為只是負責執行肌肉收縮的「工人」，但研究顯示它們在決策形成的早期階段就已深度參與，甚至可能在引導皮層的活動 。
這一發現揭示了一種「分散式」的決策機制。大腦似乎沒有一個單獨的開關來決定行動，而是透過皮層、基底核、視丘、中腦和後腦之間複雜的迴路循環，共同累積證據直到達到某個閾值 。這種多區域的同步參與確保了決策的魯棒性與效率。小腦與腦幹不僅僅是執行的終端，它們是決策迴路中不可或缺的核心成員，這為我們理解衝動、習慣以及運動障礙疾病提供了全新的視角。
行動與回饋：獎賞是全腦的慶典
當小鼠做出決定並轉動輪子後，緊接而來的是結果的回饋：甜美的糖水或懲罰性的噪音。研究發現，大腦對於「回饋」（Feedback）的反應是全腦性的，其範圍之廣甚至超過了視覺或選擇訊號 。幾乎在所有記錄到的腦區中，都能觀察到神經元對獎賞產生反應。這表明，知道「我做對了嗎？」對於大腦來說是一件頭等大事，這種訊號需要被廣播到每一個角落，以利於學習和未來的調整。
有趣的是，研究團隊進一步分析發現，這種廣泛的「獎賞反應」其實與動作有著密不可分的關係。當小鼠獲得水時，牠們會開始舔舐，而這種舔舐動作伴隨著一種約 10 赫茲（每秒10次）的震盪訊號，這種震盪在全腦多個區域同步出現 。這暗示我們過去在神經紀錄中看到的許多所謂「抽象的獎賞編碼」，實際上可能混合了準備攝取食物的運動計畫與多巴胺系統的激發 。
此外，無論是轉動輪子還是舔水，與「運動」相關的神經活動幾乎主宰了大腦的狀態。研究數據顯示，與運動速度和速度相關的編碼充斥著大腦，解釋了很大一部分的神經變異量 。這支持了一種觀點：大腦的主要功能是為了「動」。感知也好、決策也罷，最終目的都是為了指導生物體在環境中移動。運動不僅是輸出的結果，它更像是一種全局狀態，改變著大腦處理感覺訊息的方式。
未來的地圖：開放科學與神經解碼的新時代
這項研究的意義不僅在於它發現了什麼，更在於它如何改變了神經科學的研究方式。IBL 證明了大規模、標準化的合作是可行的，並且能產出單一實驗室無法企及的成果。這張「全腦活動圖譜」揭示了複雜行為是如何在大腦中以「分散式運算」的方式完成的：視覺從皮層流向腦幹，決策在皮層下結構中湧現，而行動與回饋則像波浪一樣席捲全腦 。
這份圖譜就像是探險家手中的第一份詳盡海圖，它告訴我們哪裡有島嶼、哪裡有洋流，但我們還需要更多的航行來理解這些島嶼之間的貿易關係（神經迴路連結）。例如，雖然我們知道中腦參與了決策，但它具體計算了什麼？它如何與前額葉皮層對話？這些都是待解的謎題。研究團隊坦承，目前的模型只能解釋神經活動變異的一小部分，大腦中仍有大量的「暗能量」——那些與當下任務無關的自發活動——等待被解讀 。
最令人振奮的是，IBL 將這龐大的數據集完全公開，任何人都可以下載並進行分析 。這意味著全世界的學生、工程師和科學家都可以利用這些數據來測試新的理論，或訓練更強大的 AI 模型來模擬大腦。這篇論文不僅標誌著我們對「大腦如何決策」的理解邁進了一大步，也象徵著神經科學進入了一個大數據、大合作與開放共享的全新時代。
