腦部結構提前預測視覺與觸覺感知的研究發現

科學家發現一個微小的中腦結構在視覺和物理感覺發生之前就已經開始預測，這與大腦並不僅僅等待感官輸入，而是預測即將發生的情況的觀點相符。來自麻省理工學院與東北大學的一項新研究發表在《自然神經科學》上，建議處理感官資訊的大腦區域也有助於為這些即將到來的刺激做好準備。研究人員向《Medical Xpress》描述的上丘腦被視為「最受研究的腦幹結構之一」，在受試者看到影像或感受到物理壓力之前，顯示出明顯的活動模式。

研究人員進一步解釋，這項研究源於神經科學中的一個已知概念，即預測處理。大腦並不是隻是靜待輸入，而是持續預測和準備，因為「事後反應是有成本的」，研究人員指出。

研究方法與參與者

研究人員使用超高場 7 Tesla 功能性磁共振成像（fMRI）檢查了 80 名成年人。利用此技術，他們以約 1 毫米的解析度觀察上丘腦的活動。一半的參與者觀看影像，另一半則在左拇指上感受到機械壓力。研究人員告訴《Medical Xpress》，這些方法受到兩個問題的驅動：「我們想回答兩個問題。首先，人類的上丘腦是否如動物研究所示那樣組織，即其上層集中於視覺，而下層則集中於觸覺？

其次，當預期某種感官刺激即將到來時，它如何反應？」在刺激之前，這些參與者執行了一項基於形狀的決策任務。研究人員隨後比較了兩種活動狀態之間發生的變化。視覺刺激在上丘腦的表層產生了更多的活動，而觸覺則在更深的層次引發了更多的活動。「更重要的是，即使在刺激到來之前，當人們僅僅是在期待一幅圖像或觸摸時，這種層特異性的模式也顯現出來。」根據《Medical Xpress》的報導。

預測處理的神經機制

研究指出，預期的感官體驗的性質在上丘腦中的活動模式有所不同。研究人員使用機器學習來確定大腦活動模式是否能區分視覺和觸覺體驗。他們在預期和實際刺激期間觀察到類似的模式，印證了初步腦掃描的發現。研究人員還在丘腦的兩個感官處理區域檢測到這些預測反應，這表明預期涉及多個結構，位於大腦皮層之下。這項研究挑戰了神經科學中的傳統理解。通常，預測被視為「發生在皮層的高級功能」，根據《Medical Xpress》的說法。

然而，該研究表明，將資訊傳遞至皮層的深層腦結構是為即將到來的輸入做好準備的更廣泛網絡的一部分。研究人員承認了一些侷限性，如掃描過程中缺乏眼動記錄和不確定性。某些觀察到的活動可能僅僅是與實驗本身相關的一般期待。儘管如此，這些發現表明上丘腦參與預測處理，而不是僅僅對即將到來的資訊做出反應。「總之，這項研究表明，皮層下核不是感官輸入的被動接收者，而是它們既對外部世界的感官輸入進行反應，也進行預測。」

研究人員在研究中總結道。

上丘腦在感知預測中的角色

這項研究揭示了上丘腦在感知過程中的主動角色，顛覆了傳統觀念，認為感官輸入僅由皮層處理。研究表明，上丘腦不僅對即將到來的刺激作出反應，還參與預測，這可能對理解大腦如何處理感官信息有重要意義。此發現不僅對神經科學領域具有深遠影響，還可能啟發未來在人工智能和機器學習中的應用，尤其是在模擬人類感知過程方面。