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导语

群居动物融入群体时,个体不仅需要协调自身的行为,大脑也会嵌入群体中,和群体相互作用,涌现出社会智能。这个过程是如何发生的呢?对蝙蝠和恒河猴的两项最新研究发现,互动的蝙蝠和恒河猴群体在额叶皮层中表现出神经激活,驱动社会行为。对群体动物神经科学的研究启发我们,智能或许不仅取决于单个大脑中神经元如何相互作用,也取决于大脑如何在群体中相互作用。我们需要在个体大脑和群体大脑两个层次之间穿梭,以全面理解社会智能。2021年10月22日,Science 杂志发表评论文章“Toward collective animal neuroscience”介绍了两项研究,以下是文章的翻译。

研究领域:神经科学,社会智能,群体大脑,个体大脑

Julia Sliwa | 作者

赵雨亭 | 译者

梁金 | 审校

邓一雪 | 编辑

从人类到鱼再到蚂蚁,群居动物在群体中会协调它们的行为,同时,它们的神经系统也可能这么做。然而,迄今为止,大多数神经科学研究的基本分析单位一直是单独的个体大脑。科学家通过研究个体大脑内的神经元如何相互作用,来寻找动物智慧。但是,如果将大脑嵌入一个群体会改变它的工作方式呢?更大胆的猜想是,如果智慧法则取决于大脑如何在群体中相互作用,而非单个大脑中神经元如何相互作用呢?

最近的两项研究表明[1, 2],蝙蝠和恒河猴的大脑分别通过协调自身活动,并在单神经元活动中表征群体,来跟踪群体的相互作用。

1. 社会互动中,大脑如何运作?

群体生活使物种能够完成每个个体单独无法完成的任务,包括减少被捕食或完成重要任务,例如蚂蚁建造巢穴,人类建造城市。这些非凡的壮举从个体的社会互动中涌现出来,互动有时非常简单,不过是重复邻居的行为;有时则更为复杂,涉及对他人的记忆和通信[3-5]。

在神经科学中,科学家通过同时记录两个人大脑中的神经活动来研究社会互动,他们发现,群体中两个人的大脑可以耦合彼此的活动 [6]。在各种社会互动,包括交流、合作、竞争和学习中,都发现了脑对脑的耦合。这种现象已被证明会影响不同时空尺度(包括神经元放电、神经振荡和血流动力学反应)和不同大脑区域的神经活动。此外,两个大脑活动之间的时间连贯联系或同步或异步,并且需要从一个大脑传递到另一个大脑。通过使用越来越复杂的分析方法,脑对脑的耦合在不同物种中都已得到证实,包括蝙蝠、小鼠和猴子[7-9]。

然而,只有当多种社会互动耦合在一起时,集体动力学的力量才会涌现出来。从研究两个人之间的一次社交互动,到研究一个群体内的集体社会互动,尺度变化必须与创新方法齐头并进。在人类研究中,策略是选择在真实环境中易于使用的设备——例如教室或音乐工作室——同时协调良好以同时实时记录群体内的大脑活动[10-12]。

2. 看到同类时,神经元变得活跃

在对埃及果蝠和恒河猴的调查中,Rose 和 Báez-Mendoza 等人分别采取了另一个方向,他们不想牺牲单神经元活动的分辨率。他们专注于参与决策和思考的额叶皮层,其内侧区域是社会认知的枢纽。他们对蝙蝠和猴子这两个物种接近但非同源的大脑区域进行记录,从而能够识别出额叶皮层中对与之互动的个体的身份敏感的神经元的活动。这意味着交互是为特定的交互伙伴量身定制的(见下图)。

在蝙蝠中,这种神经元敏感性对于群体内亲密伙伴甚至比远方伙伴更精确,神经元对远方伙伴的区分更不明显。在猴子中,背内侧前额叶皮层神经元仅在互动过程中活跃,注视伙伴并没有激活这些神经元。当互动伙伴是猴子毛绒玩偶或播放的蝙蝠声音时,这些神经元完全停止活动。与之形成对比的是,非人类灵长类动物在看到同伴面孔的图片时,其颞叶皮层中表征同伴的神经元是活跃的[13]。在额叶皮层中,这些神经元似乎针对来自同伴的可能动作进行了调整,将它们标记为交流伙伴、竞争者和合作者。

蝙蝠:额叶皮层的同步神经活动。当进行社会互动时(例如蝙蝠向群体呼唤),在听呼唤的群体成员中会发生大脑活动的双向耦合。脑间耦合的强度取决于呼叫者的社会中心地位。

在社会互动时,两只蝙蝠的大脑将通过同步额叶皮层神经振荡和神经元尖峰活动来耦合彼此的活动[7]。然而 Rose 等人发现,当蝙蝠发出呼叫时,脑间耦合适用于所有倾听的蝙蝠呼叫不仅在群体内广泛传播信息,而且还诱发集体大脑耦合。通过同时向所有大脑提供共同的听觉刺激,在诱导集体大脑耦合方面,通信呼叫(communication call)可能并不比锣声或铃铛独特。然而,交流呼叫(communicative call)对如何影响蝙蝠群内的集体大脑耦合则非常独特。

研究人员在其他蝙蝠在场的情况下训练蝙蝠发出声音以接收人类的食物,但这些经过训练的呼叫并没有引起与真正交流相同的集体大脑活动耦合。当发出经过训练的呼叫时,呼叫者的大脑不再受到听者大脑活动的影响。相反,真正的交流依赖于双向脑间耦合,在这种情况下,呼叫者的大脑在发送信号之前就已经考虑到了听者的大脑。

3. 高级认知如何实现?

研究现在应该关注群体吗?在蚂蚁或蜜蜂等群居昆虫中,个体无法代表其群体的集体结论。相反,个体人类和大多数非人类灵长类动物可以概括群体的部分知识,包括他们的社会结构和文化,并将其用于自己的目的[14]。这使得研究单个大脑如何实现这种高级认知能力变得有趣。

Báez-Mendoza 等人展示了一群恒河猴如何从它们的交易互动中推导出经济规律,并在大脑中表征这些知识以指导未来决策。研究人员使用了一个简单且高度受控任务,足以触及人类经济贸易的基础:给予、接受和回报[15]。

坐在转盘旁的猴子按顺序将苹果片分发给彼此。猴子们有策略地选择将苹果礼物回馈给曾经给予自己苹果的猴子,并报复那些没有分给它们的伙伴。在做决定时,猴子不仅考虑了收到的最后一份礼物,而且还考虑了馈赠的历史甚至个体的声誉来指导自身行为。

恒河猴:根据之前的互动互赠礼物。猴子可以选择给群体成员一块苹果。但是它们的选择取决于每只猴子在过去赠送苹果礼物这一历史事件。这种“礼尚往来”行为由背内侧前额叶皮层中单个神经元的活动决定。

Báez-Mendoza 等人发现,在经济贸易中,来自背内侧前额叶皮层的单神经元活动反映了群体的奖励历史,监测其他猴子选择的社会结果。基于神经元活动,他们能够解码过去的互动,甚至在猴子决定给出一块苹果之前,预测未来是回报或是报复。他们发现的神经元活动不仅反映了猴子的行为,而且是执行回馈行为所必需的。如果恰好在猴子做出决定之前,通过可逆的微刺激暂时破坏内侧前额叶皮层的神经元活动,回馈就会减弱。

4. 在群体大脑和个体大脑之间穿梭

Rose 和 Báez-Mendoza 等人的研究结果作为研究的重要步骤,有助于识别复杂社会结构中决定如何采取策略的神经机制,包括与他人的互动,了解互动者的特定身份,以及这些互动的历史。目前尚不清楚来自同一区域的神经元如何同时参与这些不同的过程。了解哪些神经元的活动有助于同步与编码社会知识非常重要。是否存在不同的神经元群体,或者是相同的神经元同时执行两项任务?探索大脑活动的分辨率将是回答这个问题的关键。

这些研究还强调,未来有必要在两个层次的研究之间穿梭,以全面掌握社会智能:群体大脑的社会智能,和个体大脑的社会智能。进一步的研究应该评估动物和人类集体的其他动态特性,包括互联网上的虚拟集体可能导致的变化。

参考文献:

1. M. C. Rose et al., Science 374, eaba9584 (2021).

2. R. BÆez-Mendoza et al., Science 374, eabb4149 (2021).

3. I. Couzin, Nature 445, 715 (2007).

4. A. Pentland, Adapt. Behav. 15, 189 (2007).

5. J. Krause et al., Trends Ecol. Evol. 25, 28 (2010).

6. G. Dumas et al., PLOS ONE 5, e12166 (2010).

7. W. Zhang, M. M. Yartsev, Cell 178, 413 (2019).

8. L. Kingsbury et al., Cell 178, 429 (2019).

9. K. M. Gilbert et al., bioRxiv 10.1101/2021.02.08.430294 (2021).

10. S. Dikker et al., Curr. Biol. 27, 1375 (2017).

11. V. Müller et al., Ann. N. Y. Acad. Sci. 1423, 198 (2018).

12. J. Yang et al., Nat. Neurosci. 23, 754 (2020).

13. S. M. Landi et al., Science 373, 581 (2021).

14. D. Cheney et al., Science 234, 1361 (1986).

15. M. Mauss, The Gift: Forms and Functions of Exchange in Archaic Societies (Cohen & West, 1966).

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm3060

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