科学好故事｜窥探大脑内部：我们是如何产生情绪和欲望的(6)

研究更复杂生物的神经科学家无法同时监控整个大脑，但可以通过大脑中广泛分布的网络来寻找大脑内部状态的线索。在技术上颇具挑战性的小鼠实验中，神经科学家用钙成像技术来记录大脑中数千个神经元的活动，用单个神经像素电极来记录数百个神经元的活动，有时几个电极可以同时插入。
在2019年发表的一项研究中，斯坦福大学的神经学家卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）和他的团队使用神经像素探针，记录了口渴的小鼠在舔水时，34个皮层和皮层下大脑区域中24000个神经元的活动。研究人员能够从与舔舐行为有关的信号中梳理出与大脑口渴状态相关的信号。他们发现，这些标志状态的神经元在整个大脑中都被激活了，而不仅仅是在下丘脑——调节口渴的神经元所在的位置。
利用这些广泛的记录技术，神经科学家逐渐发现，当动物在执行一项任务时，其大脑表面下隐藏着许多过程。而且乍看之下，并不是所有的过程都相关。在2019年的一篇里程碑式的论文中，伦敦大学学院的肯尼斯·哈里斯（Kenneth Harris）与邱吉兰德领导的团队发现，当一只小鼠在执行一项任务时，其整个大脑的神经元都被激活，但大部分的激活与任务完全无关。相反，一些活跃的神经元与动物的不安运动有关；而在与任务无关的活跃神经元中，有大约三分之二与任何运动或动作都不相符。“部分原因可能与大脑内部状态有关，”哈里斯说道。
忙碌的大脑
许多神经科学家认为，全脑实验产生的海量数据是该领域最大的瓶颈。不过，他们在开发筛选大量测量数据的技术方面也取得了进展。一种流行的方法是使用隐马尔可夫模型（hidden Markov model，简称HMM）来预测系统在特定时间在不同状态之间切换的概率。
普林斯顿大学的玛拉·默蒂（Mala Murthy）和她的同事利用隐马尔可夫模型发现了雄性果蝇大脑中的节律，这种节律会影响它们在求爱时选择的鸣声模式。雄性果蝇是选择断断续续、有节拍的“歌声”，还是长时间的嗡嗡声，很大程度上取决于雌性果蝇对它们的反应，但不是全部。默蒂的研究小组发现，三种不同的大脑内部状态也会影响雄性的“歌声”选择。他们将果蝇的这三种状态戏称为“亲近”、“追逐”和“无所谓”。
麻省理工学院的史蒂夫·弗拉维尔（Steve Flavell）表示，无论研究者采用的生物模型有多复杂——蠕虫、鱼、果蝇抑或是小鼠——整个大脑如何协调内部状态的问题“正是我们需要开始思考的”。2013年，弗拉维尔和同事们发现，即使是只有302个神经元的秀丽隐杆线虫的大脑，也表现出驱动特定行为的大脑内部状态的特征，包括两组持续活跃的神经元，它们控制着线虫是逗留在局部，还是有目的地移动。此后，他的研究小组又确定了涉及这两种状态并在二者之间转换的完整神经回路。