自從放了暑假，小胖就承擔起了家里的一項重大決策任務：去水果攤買水果。這天小胖來到西瓜攤，心想香蕉是看顏色挑的，西瓜想必也是綠色越淺越好吃。沒想到這個淺綠的瓜一切開，倒是把**臉氣綠了。
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來源: tech.sina.com.cn/other/2004-06-17/1436376950.shtml
小胖不信邪，下一次精挑細選了一個顏色最淺的瓜，結果還是不好吃。也許買西瓜不應該看顏色？經過多次嘗試，小胖終于掌握了觀察瓜蒂形狀的挑瓜大法。過了幾天，小胖胸有成竹的再次接過**給的二十塊錢，卻不想**說：“最近吃瓜吃膩了，今天去買兩斤荔枝吧！”唉，又要重新開始摸索方法了。。。
作為人類行為的司令部，大腦是如何指導這些生活中大大小小的決策的呢？經典的感知決策研究通過訓練人和實驗動物做一些明確而固定的任務（如下圖），去探索大腦基于感知的選擇機制(Gold and Shadlen, 2007)。
來源: shadlenlab.columbia.edu/
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真實世界的決策就像小胖挑水果一樣，在做感知決策這個”戰術任務” （”哪個瓜的皮更綠？”）之前，還有一個更重要的”戰略判斷”（關鍵問題是”瓜皮顏色”還是”瓜蒂形狀”？）；而且往往找到關鍵的問題比找到正確的答案更困難。根據瞬息萬變的具體情況靈活調整”戰略方向”，在”戰術任務”之間切換，是高等動物得以學習和創造的基礎，也往往是孤獨癥、藥物濫用和老年癡呆等常見疾病最先傷害的認知功能(Brady, Gray and Tolliver, 2011; Parker and Newsome, 1998; Dickstein et al., 2007)。但是，腦在做決策的時候，對于”戰略”和”戰術”是否是兩個獨立的問題呢？
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近期，來自匹茲堡大學Marlene Cohen教授研究組的最新工作提示這兩種貌似不同層面的認知的神經機制，卻是互相影響不可分離的。我們很榮幸邀請到該文章的第一作者薛澄博士對這項最新工作開展解讀，該文發表在最新一期的Neuron雜志 (Xue, Kramer and Cohen, 2022)。
薛澄博士，于南京大學匡亞明學院與物理學院獲得本科與碩士學位，博士期間師從哥廷根大學Stefan Treue教授，于德國靈長類中心研究視覺注意的神經機制。畢業后在美國匹茲堡大學Marlene Cohen組繼續博士后工作，使用行為獼猴電生理，人類心理物理，計算神經(包括脈沖神經網絡和循環神經網絡)等手段研究靈活決策行為的神經機制。代表工作以第一作者發表于Neuron，PNAS，Cerebral Cortex, Journal of Neuroscience等主流學術期刊。目前擔任匹茲堡大學神經科學系研究助理教授，即將赴芝加哥大學神經生物學系擔任專職研究員。
認知狀態讀心術
不管是”戰略方向”還是”戰術任務”，這些決策相關的認知狀態，在做出選擇行為之前都隱藏在我們的大腦這個黑匣子里。如何去探索靈活決策行為的神經機制呢？作者訓練獼猴做一個類似于小胖挑水果的任務：猴子需要依據屏幕上光柵刺激的位置或者疏密做出感知決策（“戰術任務“），而這兩者哪個才是關鍵特征，則需要猴子經過多次試驗總結出來（“戰略判斷”）。實驗者通過偶爾切換關鍵特征，則可以不斷重復這一嘗試和學習的過程。與此同時，作者使用侵入式大規模電生理記錄采集了初級視皮層V1區（負責視覺感知）的神經元群和頂葉皮層7a區（負責多種任務間切換）的神經元群的電活動，將大腦中正在進行的”戰略判斷” 和“戰術決策”的信號實時讀取出來，以便研究兩者的互相影響和互動關系（圖1）。
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戰略上的自信，戰術上的優勢
有意思的是，行為數據說明，靈活決策并不能分離為找到關鍵問題和找到這個問題的答案這兩個獨立的過程。事實上，當被試對自己的”戰略方向” 比較自信時（比如小胖第一次挑瓜，堅信瓜皮顏色是關鍵），同樣的”戰術任務”（比較兩個瓜的瓜皮顏色）會比不自信時（比如小胖第二次挑瓜，雖然姑且還是按顏色挑，但對顏色是否重要產生懷疑）完成的更好。
后續實驗證實，人類行為中也有相同的現象（圖2）。
圖2：人類與獼猴的”戰術任務”表現在”戰略判斷”自信情況下(橫軸)比不自信情況下(縱軸)更好
而在神經機制層面上，作者發現，從7a區神經元群讀取的”戰略判斷”（按顏色挑瓜）的自信度，與從V1區神經元群讀取到對應的”戰術決策”（瓜A比瓜B更綠）的自信度呈正關聯，而與和”戰略方向”無關的”戰術決策”（瓜A比瓜B更大）的自信度無關聯（圖3）。這些結果說明所謂”戰略自信導致戰術優勢”的行為現象并不是由被試整體的清醒或專注程度等非特異性狀態導致的現象，而是戰略上的認知選擇性的改變了戰術上的感知的結果。后續工作則通過新設計的線上人類實驗和搭建人工神經網絡模型，更進一步說明這一現象的神經機制可能與工作記憶對有用信息的篩選有關。
圖3：從神經元群活動讀取的”戰略自信”越強，相關特征的”戰術決策”也越清楚；但與不相關特征的”戰術決策”無關
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戰術自信的漲落影響戰略的調整
“戰略判斷”對”戰術任務”的影響也并非是一條單向道：很顯然，”戰略方向”的調整依靠的也是對”戰術決策”的復盤反思。就像小胖學習挑西瓜的過程中，通過多次嘗試確認自己辨別瓜皮顏色的”戰術決策”沒有錯，才認識到錯誤的是戰略方向，并進一步做出調整。問題是，這個”通過戰術復盤調整戰略”的過程，依據的僅僅是客觀事實嗎？兩次一模一樣的經歷，是否對決策戰略的調整就一定有相同的影響呢？為了解答這個問題，作者搭建了一個貝葉斯模型，通過從獼猴V1區神經元群讀取到的”戰術決策”的自信度，結合獼猴的做出的選擇和得到的反饋，去預測獼猴反思過本次試驗的經驗后，下一次試驗的”戰略判斷”。由于大腦內的信號噪聲和各種主觀因素影響，即使兩次試驗從外部觀察是一模一樣的經歷，作者從V1區神經元群讀取到的自信度也會有漲落。結果發現，這些”戰術層面”上相對主觀的自信度漲落，對于模型預測獼猴下一次試驗的”戰略調整”也是不可或缺的（圖4）。
這些結果說明，我們日常生活中的靈活決策，在大腦中并非是作為”戰略判斷”和”戰術任務”兩個獨立的問題處理，而是一個整合在一起的涉及多個腦區的系統。
這些發現至少可以帶來三方面的啟發：
01
靈活調整”戰略方向”依賴于負責”戰術任務”的腦區的信號和噪聲，這意味著那些傷害我們認知靈活性的神經疾病的機制，或許遠比我們想象的廣泛而復雜，其關鍵可能在于不同腦區之間的交流。
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02
以本文的結果為例，人類的決策行為有諸多奇特的現象，而這些現象都有其生物基礎。在機器學習飛速進步的時代，開發出超越人腦決策能力的算法似乎已經近在咫尺，但或許只有當我們完全理解人腦的決策機制，很多社會問題才有希望找到答案。
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03
別再鄙視你的老板天天給你畫大餅講廢話了，也許他/她是為了增強你的戰略信心，幫助你更好的完成KPI??！
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參考文獻：
1.Brady, K. T., Gray, K. M. and Tolliver, B. K. (2011) 'Cognitive enhancers in the treatment of substance use disorders: clinical evidence', Pharmacol Biochem Behav, 99(2), pp. 285-94.
2.Dickstein, D. P., Nelson, E. E., McCLURE, E. B., Grimley, M. E., Knopf, L., Brotman, M. A., Rich, B. A., Pine, D. S. and Leibenluft, E. (2007) 'Cognitive flexibility in phenotypes of pediatric bipolar disorder', J Am Acad Child Adolesc Psychiatry, 46(3), pp. 341-355.
3.Gold, J. I. and Shadlen, M. N. (2007) 'The neural basis of decision making', Annu Rev Neurosci, 30, pp. 535-74.
4.Parker, A. J. and Newsome, W. T. (1998) 'Sense and the single neuron: probing the physiology of perception', Annu Rev Neurosci, 21, pp. 227-77.
5.Xue, C., Kramer, L. E. and Cohen, M. R. (2022) 'Dynamic task-belief is an integral part of decision-making', Neuron.
對于感知覺決策的研究，我們可以借助電生理、行為學、心理學等研究手段開展分析，也可以借助工具病毒載體以及光遺傳、化學遺傳學等操控手段開展腦活動的干預，分析決策的因果和神經機制。和元生物可為神經科學研究提供全面、高質、性價比超高的病毒載體，助力腦科學發展！