脑部结构提前预测视觉与触觉感知的研究发现

科学家发现一个微小的中脑结构在视觉和物理感觉发生之前就已经开始预测，这与大脑并不只是等待感官输入，而是预测即将发生的情况的观点相符。来自麻省理工学院与东北大学的一项新研究发表在《自然神经科学》上，建议处理感官信息的大脑区域也有助于为这些即将到来的刺激做好准备。研究人员向《Medical Xpress》描述的上丘脑被视为“最受研究的脑干结构之一”，在受试者看到影像或感受到物理压力之前，显示出明显的活动模式。

研究人员进一步解释，这项研究源于神经科学中的一个已知概念，即预测处理。大脑并不是只是静待输入，而是持续预测和准备，因为“事后反应是有成本的”，研究人员指出。

研究方法与参与者

研究人员使用超高场7 Tesla功能性磁共振成像（fMRI）检查了80名成年人。利用此技术，他们以约1毫米的解析度观察上丘脑的活动。一半的参与者观看影像，另一半则在左拇指上感受到机械压力。研究人员告诉《Medical Xpress》，这些方法受到两个问题的驱动：“我们想回答两个问题。首先，人类的上丘脑是否如动物研究所示那样组织，即其上层集中于视觉，而下层则集中于触觉？

其次，当预期某种感官刺激即将到来时，它如何反应？”在刺激之前，这些参与者执行了一项基于形状的决策任务。研究人员随后比较了两种活动状态之间发生的变化。视觉刺激在上丘脑的表层产生了更多的活动，而触觉则在更深的层次引发了更多的活动。“更重要的是，即使在刺激到来之前，当人们仅仅是在期待一幅图像或触摸时，这种层特异性的模式也显现出来。”根据《Medical Xpress》的报道。

预测处理的神经机制

研究指出，预期的感官体验的性质在上丘脑中的活动模式有所不同。研究人员使用机器学习来确定大脑活动模式是否能区分视觉和触觉体验。他们在预期和实际刺激期间观察到类似的模式，印证了初步脑扫描的发现。研究人员还在丘脑的两个感官处理区域检测到这些预测反应，这表明预期涉及多个结构，位于大脑皮层之下。这项研究挑战了神经科学中的传统理解。通常，预测被视为“发生在皮层的高级功能”，根据《Medical Xpress》的说法。

然而，该研究表明，将信息传递至皮层的深层脑结构是为即将到来的输入做好准备的更广泛网络的一部分。研究人员承认了一些局限性，如扫描过程中缺乏眼动记录和不确定性。某些观察到的活动可能仅仅是与实验本身相关的一般期待。尽管如此，这些发现表明上丘脑参与预测处理，而不是仅仅对即将到来的信息做出反应。“总之，这项研究表明，皮层下核不是感官输入的被动接收者，而是它们既对外部世界的感官输入进行反应，也进行预测。”

研究人员在研究中总结道。

上丘脑在感知预测中的角色

这项研究揭示了上丘脑在感知过程中的主动角色，颠覆了传统观念，认为感官输入仅由皮层处理。研究表明，上丘脑不仅对即将到来的刺激作出反应，还参与预测，这可能对理解大脑如何处理感官信息有重要意义。此发现不仅对神经科学领域具有深远影响，还可能启发未来在人工智能和机器学习中的应用，尤其是在模拟人类感知过程方面。