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圖片來源：Diogo Matias，Champalimaud基金會(huì)

北京時(shí)間8月13日，發(fā)表在《Nature Neuroscience》上的一項(xiàng)研究，來自葡萄牙里斯本Champalimaud未知中心的研究團(tuán)隊(duì)解決了一個(gè)長達(dá)200年歷史的神經(jīng)科學(xué)難題。

幾個(gè)世紀(jì)以來，精神世界和物質(zhì)世界被認(rèn)為是完全不同的兩個(gè)世界。雖然無生命物體的運(yùn)動(dòng)可以通過數(shù)學(xué)來測(cè)量和證明，但生物體的行為似乎意識(shí)控制的不同力量塑造的。

大約200年前，德國醫(yī)生Ernst Heinrich Weber做了一個(gè)看似無害的觀察，由此誕生了心理物理學(xué)這門學(xué)科，它是研究心物關(guān)系并使之?dāng)?shù)量化的一個(gè)心理學(xué)，涉及物理刺激及頭腦中喚起的感覺。在實(shí)驗(yàn)中，Weber要求受試者判別出兩種稍微不同的重量中哪一種更重。通過這些實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)受試者做出正確選擇的概率只取決于權(quán)衡之間的比例。

Weber

舉例來說，如果一個(gè)受試者在比較1千克和1.1千克的重量時(shí)有75％的正確率，那么當(dāng)他比較2千克和2.2千克的兩個(gè)重量時(shí)，正確率也將達(dá)到75％。通常，任意一個(gè)重量比另一個(gè)重10%的情況下都將如此。這一簡單但精確的規(guī)則為根據(jù)數(shù)學(xué)定律對(duì)行為進(jìn)行量化打開了大門。

從那以后，Weber的觀察被推廣到許多動(dòng)物物種的感知方式，從而形成了現(xiàn)在所知的韋伯定律。它是心理物理學(xué)中最古老且最確定的定律。心理物理定律描述了感知的精確規(guī)則，并且非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕韽拇竽X過程中獲得行為的數(shù)學(xué)解釋，就像行星在天空中的精確運(yùn)動(dòng)模式對(duì)于理解引力一樣有用。

多年來，人們對(duì)韋伯定律提出了許多解釋。雖然他們都能解釋韋伯的發(fā)現(xiàn)，但還沒有找到實(shí)驗(yàn)測(cè)試來確定哪種模型是正確的。因此，韋伯定律的數(shù)學(xué)解釋之謎仍然懸而未決。

來自葡萄牙里斯本Champalimaud未知中心Alfonso Renart的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，韋伯定律可以被描述為一種新的心理物理規(guī)則，該規(guī)則涉及做出選擇所需的時(shí)間，而不僅僅是結(jié)果。而且，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，這一新規(guī)則足以推導(dǎo)出一個(gè)獨(dú)特而準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，描述韋伯定律背后的認(rèn)知過程。

時(shí)間是關(guān)鍵

在這項(xiàng)新研究中，Alfonso Renart的團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練大鼠判別兩種強(qiáng)度略有差異的聲音。他們專門制造了一種特別適合大鼠頭部的微型耳機(jī)，并用它們同時(shí)向其兩只耳朵傳遞聲音。

在每次試驗(yàn)中，兩個(gè)揚(yáng)聲器中的一個(gè)的音量會(huì)稍微大一些，而小鼠的任務(wù)是報(bào)告哪一個(gè)揚(yáng)聲器的音量更大，并指向相應(yīng)的一側(cè)。

圖片來源：《Nature Neuroscience》

研究第一作者Jose Pardo-Vazquez解釋說：“這種行為對(duì)大鼠來說很自然，因?yàn)樗鼈兊念^會(huì)朝向聲音的來源，就像我們一樣?！贝笫罂梢栽谛枰臅r(shí)候體驗(yàn)這種聲音，以便做出決定。因此，每次嘗試都提供了選擇和決策時(shí)間。

Pardo-Vazquez說：“我們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些動(dòng)物的行為符合韋伯定律。它們分辨這兩種聲音中哪一種音量更大的能力只取決于這兩種聲音強(qiáng)度之間的比例。如果讓它們比較兩種柔和播放的聲音強(qiáng)度，只要兩種聲音的強(qiáng)度比相同，動(dòng)物的準(zhǔn)確率就和兩種大聲播放的聲音一樣?！?/section>

圖片來源：《Nature Neuroscience》

然后，研究團(tuán)隊(duì)開始詳細(xì)分析大鼠做出決定所花費(fèi)的時(shí)間，這一步后來被證明是至關(guān)重要的。Pardo-Vazquez解釋道：“通常，韋伯定律的研究集中在判別的準(zhǔn)確性上，這也是韋伯本人所描述的。令人驚訝的是，花在決策上的時(shí)間幾乎沒有受到關(guān)注?！?/section>

該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，決策時(shí)間和這兩種聲音的強(qiáng)度是相關(guān)聯(lián)的，即音量越大，決策時(shí)間越短。事實(shí)上，他們表明這種聯(lián)系的本質(zhì)是獨(dú)特的，并且在數(shù)學(xué)上是精確的，可以在兩個(gè)安靜聲音之間的判別中觀察到?jīng)Q策時(shí)間。例如，受試者區(qū)分兩個(gè)響亮聲音之間時(shí)所測(cè)量的決策時(shí)間恰好成正比（只要聲音的相對(duì)強(qiáng)度是恒定的）。

超越韋伯定律

事實(shí)上，除了韋伯定律之外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的心理物理定律，他們稱之為“判別中的時(shí)間強(qiáng)度等效” (TIED)，因?yàn)樗鼘煞N聲音的整體強(qiáng)度與判別它們所用的時(shí)間聯(lián)系起來。這種聯(lián)系比韋伯定律更為嚴(yán)格，因?yàn)樗粌H聯(lián)系了成對(duì)判別的準(zhǔn)確性，還聯(lián)系了它們相關(guān)的決策時(shí)間。Pardo-Vazquez說：“在我們的實(shí)驗(yàn)中，決策時(shí)間之間的這種關(guān)系的精確度是驚人的。用如此精確的數(shù)學(xué)來描述動(dòng)物的行為是不尋常的?！?/section>

圖片來源：《Nature Neuroscience》

為了研究TIED在不同條件下是否也能保持平衡，該團(tuán)隊(duì)對(duì)人類受試者進(jìn)行了同樣實(shí)驗(yàn)，并獲得了相似的結(jié)果。他們還分析了其他人的實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，大鼠對(duì)混合氣味進(jìn)行嗅覺判別，同樣得到了相同的結(jié)果。Pardo-Vazquez說：“現(xiàn)在說TIED是否與韋伯定律一樣普遍還為時(shí)尚早，但我們?cè)趦蓚€(gè)物種和兩種感官模式中得到了同樣的結(jié)果，這是令人鼓舞的第一步。”

接近正確的模型

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)提出了幾十種數(shù)學(xué)模型來解釋韋伯定律，但沒有明確的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來區(qū)分它們。研究人員表示，TIED提供了一條前進(jìn)的道路。他們的分析表明，為了與TIED保持一致，判別任務(wù)的數(shù)學(xué)模型需要滿足一組嚴(yán)格的條件。

該研究合著者Juan Castineiras說：“這真是太棒了！TIED限制了可能的解釋，從而解決了韋伯定律中許多模型之間的模糊性?！?/section>

20世紀(jì)80年代末，心理學(xué)家Stephen Link提出的一個(gè)模型曾接近解決方案，但她忽略了一個(gè)重要的條件，即描述感官刺激的強(qiáng)度是如何被感覺神經(jīng)元的活動(dòng)編碼的。

最后一步是利用這些條件，建立一個(gè)模型來測(cè)試它對(duì)大鼠行為的準(zhǔn)確程度。Castineiras說：“我們用盡可能少的參數(shù)分析了最簡單的模型。當(dāng)選擇這些參數(shù)值來最大限度地接近大鼠的行為時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)模型的擬合是顯著的。即使是最簡單的模型我們也能有效地捕捉到幾乎沒有誤差就可以測(cè)量的一切。該模型描述了感知如何工作的真實(shí)情況，這極大地增強(qiáng)了我們的信心?！?/section>

精確的實(shí)驗(yàn)和理論取得了明確的進(jìn)展

由于新的心理物理定律和描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型的精確性，這些結(jié)果在他們的領(lǐng)域中脫穎而出。Renart說：“盡管在生物學(xué)和行為研究中很少被觀察到，但精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠提供精確的解釋，從而消除先前的模棱兩可，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)步?！崩纾麄兊慕Y(jié)果表明，心理物理學(xué)的一個(gè)主要理論不足以描述這種聯(lián)系。Castineiras說說：“在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，用數(shù)學(xué)解釋來排除相互矛盾的理論是非常罕見的，因?yàn)榭傆锌赡軐?duì)一個(gè)模型稍加修改，使其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相兼容。我們發(fā)現(xiàn)，心理物理學(xué)中一個(gè)非常有影響力的理論，稱為信號(hào)檢測(cè)理論，它沒有對(duì)決策時(shí)間進(jìn)行建模，因此無法描述TIED。它忽略了解釋韋伯定律的本質(zhì)。”

該研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)之一是要了解他們已經(jīng)確定的數(shù)學(xué)模型是如何通過大腦實(shí)現(xiàn)的。Renart總結(jié)道：“我們想要確定哪些大腦區(qū)域在我們的任務(wù)中是重要的，以及這些神經(jīng)元如何執(zhí)行模型的不同計(jì)算元素?！?/section>

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