[論文レビュー] Subspace orthogonalization as a mechanism for binding values to space

W. Jeffrey Johnston, Justin M. Fine+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Neural and Behavioral Psychology Studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、報酬感受性脳領域における準直交性を持つ神経サブスパイスを用いて、脳が価値情報を空間的位置に束ねることを提案する。サルがリスクのある選択タスクを遂行する中で、神経細胞は左および右のオファー価値を別個で、準直交的なサブスパイスに符号化しており、これが信頼性の高い束ねを可能にする。サブスパイスの直交性が低下した場合、価値が低い選択肢を選ぶ確率が上昇し、意思決定における機能的役割を支持する。

ABSTRACT

When choosing between options, we must solve an important binding problem. The values of the options must be associated with information about the action needed to select them. We hypothesize that the brain solves this binding problem through use of distinct population subspaces. To test this hypothesis, we examined the responses of single neurons in five reward-sensitive regions in rhesus macaques performing a risky choice task. In all areas, neurons encoded the value of the offers presented on both the left and the right side of the display in semi-orthogonal subspaces, which served to bind the values of the two offers to their positions in space. Supporting the idea that this orthogonalization is functionally meaningful, we observed a session-to-session covariation between choice behavior and the orthogonalization of the two value subspaces: trials with less orthogonalized subspaces were associated with greater likelihood of choosing the less valued option. Further inspection revealed that these semi-orthogonal subspaces arose from a combination of linear and nonlinear mixed selectivity in the neural population. We show this combination of selectivity balances reliable binding with an ability to generalize value across different spatial locations. These results support the hypothesis that semi-orthogonal subspaces support reliable binding, which is essential to flexible behavior in the face of multiple options.

研究の動機と目的

• 意思決定中に、選択肢の価値をその空間的位置に結びつけるというバインディング問題を脳がどのように解決するかを調査すること。
• 報酬感受性脳領域における神経集団サブスパイスが、直交化によってこのバインディングを支援しているかどうかを検証すること。
• サブスパイスの直交性が選択行動に与える機能的意義を検討すること。
• これらのサブスパイスの形成を裏付ける神経メカニズム（線形および非線形の混合選択性）を特徴づけること。

提案手法

• サルが左および右の選択肢を伴うリスクのある選択タスクを遂行する中で、5つの報酬感受性脳領域から単一神経細胞の活動を記録した。
• 集団レベルの神経応答パターンを用いて、高次元の神経空間における価値表現を再構築した。
• 次元削減およびサブスパイス解析を適用し、左および右のオファー価値を符号化する準直交サブスパイスを同定した。
• 試行およびセッションごとに、価値サブスパイス間の直交性の程度を測定した。
• サブスパイスの直交性と選択行動（特に価値が低い選択肢を選ぶ確率）を相関させた。
• 混合選択性パターンを解析し、線形および非線形のチューニングがサブスパイス形成にどのように寄与するかを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 報酬感受性脳領域における神経サブスパイスは、選択肢の価値を空間的位置に束ねる形で符号化しているか？
• RQ2 価値サブスパイス間の直交性の程度は、意思決定の正確性および選択行動と機能的に関連しているか？
• RQ3 線形および非線形の混合選択性といった神経コードメカニズムは、これらの準直交サブスパイスの形成にどのように寄与しているか？
• RQ4 サブスパイスの直交性はセッションごとにどのように変化し、行動の信頼性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 神経集団コードの構造によって、信頼性の高いバインディングと空間的位置間での一般化のバランスが説明可能か？

主な発見

• 5つの報酬感受性脳領域すべての神経細胞が、左および右のオファー価値を準直交サブスパイスに符号化しており、価値情報の空間的バインディングが可能になった。
• サブスパイスの直交性が低い試行では、価値が低い選択肢を選ぶ確率が有意に高くなり、行動に直接的な影響があることが示された。
• サブスパイスの直交性の程度は、セッション間で選択行動と相関しており、意思決定の信頼性の安定した神経的相関物質であることを示唆した。
• 準直交サブスパイスは、神経集団における線形および非線形の混合選択性の組み合わせから生じた。
• この混合選択性構造は、価値を空間に信頼性高くバインディングするとともに、異なる空間的位置間での価値表現の一般化能力を支援する。
• これらの発見は、サブスパイスの直交化が意思決定における神経的バインディング問題を解決する基本的メカニズムであるという仮説を支持する。