小鼠的大脑居然会做微积分，你会做吗？（小鼠大脑结构图）

愤怒的小鸟 2023年04月02日 09:22

的速度飞奔下楼跑进站台，到车门前紧急停住脚步，趁着还没关门灵活地跳进车厢。

然后长出一口气每个卡点星人可能都有相似的经历不论奔跑的时候还是停下的时候，人们的脑海里可能都没有太多念头，只想着能赶上车就好所以，你大概也不会意识到，在快速运动的情况下，脚步能准确地停在想停的地方，其实不是一件容易的事。

为了帮助你在理想的位置完成紧急“刹车”，你的大脑很可能在暗中做着微积分这是麻省理工学院（MIT）的一群科学家，在训练小鼠的时候发现的秘密有目标的刹车，是不一样的刹车小鼠被人类科学家放在一台跑步机上，固定好了头部。

跑步机是自动力的，小鼠跑它就跑，小鼠停它就停跑道两边安装着连串的LED灯，其中一部分灯会亮起，组成一个视觉标志，映入小鼠眼中这个标志不是静止的，而是和跑步机的跑道同步移动随着小鼠向前奔跑，标志会离它越来越近，而。

它要做的就是跑到标志处停下来——这是研究人员设定的任务，如果成功在标志前停留1.5秒，小鼠会赢得一次喝水奖励，伴随相应的提示音；假如跑过了标志而没停下，便不会有奖励，还会听到代表失败的提示音。

下一次任务也由此开始在周而复始的训练之中，小鼠渐渐掌握了规律，在指定位置停留的时间越来越足当然，科学家最关心的不是动物的学习能力，而是它们为什么能在奔跑的途中紧急停下脚步，这种快速反应究竟是怎么实现的。

研究团队给小鼠建立了行为模型在数学上，他们把这当作一个最优控制问题来解，发现假如想用最短的时间获得奖励，任务刚开始时小鼠得尽快把奔跑速度加到最高，而临到指定位置的时候又要尽快刹住脚步也就是说，先用最大的油门加速，再踩最急的刹车，这种控制方式叫“起停式控制”（bang-bang control）。

如果真是这样，那在小鼠的运动过程中，得有一个转折点（switching point），运动模式就在此时转变——大脑要发出刹车信号的话，应该也在这个时间点附近研究者就把转折点设定在小鼠刹车前、速度最后一次达到峰值的时刻。

横轴为时间，time=0代表转折点，从转折点前1秒到后1.5秒，科学家将这2.5秒计变的当下，腿上速度不会立刻发生相应的改变，需要时间。

而这个时间越久，就越容易跑过头研究者发现，把时间常数取为63.75毫秒，模型便可以吻合小鼠在跑步机上的实际速度变化了但若这个常数取到1秒，模型里的小鼠可能永远没法像现实一样及时停步、收取奖励在这个模型里，科学家自然而然地认为，大脑应该就是在那个转折点产生了一个“停！”的信号，才让小鼠迅速刹车。

于是，他们开始观察，这些动物脑中究竟有怎样的运动信号在传递在小鼠的大脑皮层里，有一部分是运动皮层（motor cortex），它又分为初级运动皮层和次级运动皮层当小鼠要发起某个动作的时候，次级运动皮层（M2）。

会放出一个信号，传送到底丘脑核（STN）；然后，再由底丘脑核（STN）发射信号到中脑运动区（MLR），这个区域在脑干，受到刺激时可以触发动作科学家要研究的正是这些过程首先，研究者观察了从M2到STN的信号通路，看小鼠用没用这条通路。

他们对小鼠的路时小鼠常常跑过终点。

那么，小鼠的刹车动作的确与这条信号通路有关。

处停下，M2-STN神经元明显更加活跃；但当小鼠（并非基于任务目标）在中途自发停下，M2-STN神经元就不那么活跃。

如此看来，目标导向的刹车才会用到M2-STN信号通路，而没有目标的刹车可能不会用这条通路传递信号总之，小鼠在执行视觉引导的刹车任务时，M2-STN通路真的在工作科学家也认定，这条通路就是任务中的控制器，是它给的信号支配了脑干里的中脑运动区，让小鼠能够及时停住。

不过，具体的控制方式又是怎样的呢？求导还是积分？起初科学家觉得，小鼠跑到临近标志的地方，一个刹车信号会立刻涌入脑干，像开关一样直接把腿上的运动停下来，非常简单但随着研究他们慢慢发现，事情比想象中更加复杂。

在研究者的设想中，那个刹车信号又叫“误差信号”（error signal）像上文提到的那样，执行任务的小鼠在运动中会有个转折点，大脑的运动规划突然改变，但奔跑速度可能还没发生大脑所希望的改变而当理想与现实有了差距，大脑皮层可能就有误差信号产生，沿着M2-STN通路传递出来，最终帮助小鼠刹车。

以往研究中也介绍过类似的现象，视觉输入与运动输入匹配不上的时候，小鼠的额叶皮层出现了代表“预测误差”（prediction error）的信号不过，当科学家在行为模型的基础上，又给小鼠建立了生理学模型，这个模型的数据却告诉他们：

一个误差信号本身不足以让小鼠及时停下。

脑核（STN）后，底丘脑核又有两条通路，可以把信号传到脑干的中脑运动区（MLR）：一条是兴奋通路，一条是抑制通路具体说来，使得小鼠刹车的信号，最终会被传送至中脑运动区（MLR）的脚桥核（PPN）。

而科学家在这个区域，利用光标记的方法，找到了兴奋性神经元和抑制性神经元在小鼠刹车前，兴奋性神经元比较活跃（这些细胞的活跃程度，也反映出小鼠的速度）；而刹车动作发生后，抑制性神经元则会变得更加活跃研究者还在底丘脑核（STN）中检测了神经元的放电活动，从中锁定了在转折点前后各250毫秒内放电频率达到最大的那些神经元。

然后发现，当小鼠准备停下的时候，会先出现一个抑制信号，但它后面紧跟着一个兴奋信号科学家创建的生理学模型，也把控制刹车的信号分成了两部分：一是加速度分量（前一个信号），二是与之对应的速度分量（后一个信号），两者都是随时间变化，是时间的函数。

研究者有了这样一个想法，小鼠刹车利用的可能是两个信号之间的差，由于抑制信号与兴奋信号出现的时间非常相近，求差就像求斜率，或者说求导/求微分而当他们求出了两个信号的差，也的确近似于模型给出的理论上的求导结果。