第一作者：华秋琳、彭瑜、张建赟
通讯作者：彭吉云
发表期刊：Neuroscience Bulletin
分区：中科院二区top期刊，JCR Q1期刊

期刊 5-Year Impact Factor：5.9
通讯单位：杭州师范大学

论文DOI：https://doi.org/ 10.1007/s12264-025-01463-8

近日，脑科学研究所、基础医学院生理学系彭吉云教授课题组在神经科学TOP期刊Neuroscience Bulletin上发表了题为“Pre-action neuronal encoding of task situation uncertainty in the medial prefrontal cortex of rats”的研究。文章主要通过脑内神经元活动记录的手段，解读了大鼠在面临不确定的环境场景时，其脑内神经活动的变迁，以一种类似“读心术”的方法，发现大鼠具备通过历史经验，认知到环境场景中的不确定性的能力。

图文解读

根据经验和当前环境信息做出恰当的行为应对是人和动物的一项基本能力。然而我们也经常需要在面临不确定性因素的场景环境下做出决定，准备行动。这种不确定性显然会影响到我们的心境，如可能会引起焦虑情绪，或使得我们提高注意力来监测新的环境信息，以用于指导后续行为。那么动物在面临不确定性时是否也会有类似的心境变化呢？这种“心理活动”很难在动物上直观检测，这就需要一点“读心术”的手段。

      在本研究设计的任务流程下，大鼠先是在固定不变的任务要求下进行重复的任务操作（即确定的任务场景）；然后将任务切换到不确定的场景，此时大鼠需要根据每次任务中给出的反馈信息做出不同的行为操作。实验人员通过多通道神经元放电记录方法收集了整个任务流程期间大鼠内侧前额叶皮层的神经元放电信号。很多神经元在大鼠面临确定的和不确定的任务场景时，其活动模式有着显著差异，反应出大鼠能够认知到任务场景的不确定性，并体现在任务执行前的“内心活动”上。

图1 行为任务流程图

A）行为训练箱示意。探洞外设有红外线监测大鼠的探鼻行为，箱体靠后位置的红外线用于检测大鼠往返饮水区行为。B）任务流程设置，单一任务即确定的任务，大鼠需要做两次探鼻操作并成功触发声音反馈（Tone）；双任务即不确定的任务，首次探鼻可能触发Tone或Music，大鼠需要根据反馈做或不做二次探鼻操作。

       具体而言，大鼠需要在任务箱面板的一个圆洞上做探鼻操作以获得饮水奖励。在确定的任务场景下，每次任务要求大鼠做两次连续的探鼻操作并成功触发两次声音反馈（持续300ms, 1500Hz的纯音），即可离开操作区前往饮水区获得奖励，仅探鼻一次或探鼻超过两次都算错误操作，不能获得奖励。在不确定的任务场景下，大鼠第一次探鼻触发的反馈有两种可能，一种是和确定场景时一样的纯音，这时大鼠还是做和之前一样的两次探鼻操作；另一种则时触发一段带旋律的乐音（持续300ms），这时大鼠直接离开即可获得饮水奖励，二次探鼻操作则判断为错误操作。在不确定的任务场景阶段，如果大鼠出现错误操作，则引入纠错任务，纠错任务总是和上一次任务相同，也是一个确定的任务场景。

图2 不确定性的前额叶神经元活动表征

A）单个神经元反应示例。去确定的单一任务时，该神经元反应不受前次是否操作错误影响；在双任务阶段，当大鼠面临不确定的任务时，在任务启动前该神经元放电频率显著增高，且显著高于该阶段确定的纠错任务时的放电频率。B）内侧前额叶神经元在任务启动前的反应选择性群体分布图。在双任务阶段引入不确定性后，表现出显著反应差异的神经元（紫色圆点）数量显著多于其他情形，且除去错误操作引起的反应，绝大多少反应选择性可归因于不确定性的引入。

  前额叶皮层作为认知整合的高级中枢，其神经活动体现在任务操作过程的各个阶段。而研究人员确实发现了在任务的任意阶段都能找到一些特征编码的神经元。对于不确定性的编码，研究人员通过分别比较两个任务阶段一次操作成功的任务启动前和纠错操作成功的任务启动前神经元放电差异，发现有一批神经元仅在引入不确定性时表现出显著的放电频率变化，并表现出群体放电水平的增高，而很少有神经元仅表现出对确定性的特征编码。

本研究通过直接读取大鼠脑内神经元活动的“读心术”，揭示了大鼠能够通过过往历史经验，认知到环境场景中的不确定性，提示这是一类进化保守的基础认知能力。

通讯作者简介：

       彭吉云，杭州师范大学脑科学研究所、基础医学院生理学系教授，博士生导师。课题组主要关注高级认知功能的神经机制及神经胶质细胞参与生理病理功能的细胞和分子机制。研究工作使用在体电生理记录、膜片钳、光遗传钙成像等前沿技术，观察记录灵长类动物、啮齿类动物等在认知任务操作过程中的神经活动，解析相关神经环路的功能编码机制和病理变化过程；使用多种转基因小鼠、行为测试模型、免疫荧光成像、分子和生化技术等解读神经胶质细胞（如小胶质细胞、少突胶质细胞）在学习和记忆、慢性疼痛、睡眠觉醒周期转换等病理生理过程中的参与机制。已在Nature Communications、Cell reports、Glia、Neuroscience Bulletin、Journal of Neuroscience等SCI期刊发表相关论文20余篇，主持多项国家自然科学基金和省自然科学基金项目。