[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出，大脑通过在与奖励相关的脑区中使用半正交神经子空间，将价值信息绑定到空间位置。在猕猴执行风险决策任务时，神经元以不同且半正交的子空间编码左侧和右侧选项的价值，从而实现可靠的绑定；子空间正交性降低可预测更倾向于选择价值较低的选项，支持其在决策中的功能作用。

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.

研究动机与目标

• 研究大脑在决策过程中如何解决绑定问题——即将选项的价值与其空间位置关联起来。
• 检验奖励敏感脑区中神经群体子空间是否通过正交化支持这种绑定。
• 检验子空间正交性与选择行为的函数相关性。
• 表征支撑这些子空间形成的神经机制——线性和非线性混合选择性。

提出的方法

• 在猕猴执行具有左右选项的风险决策任务时，记录五个与奖励相关的脑区的单神经元活动。
• 利用群体水平的神经反应模式，在高维神经空间中重建价值表征。
• 应用降维和子空间分析，识别编码左侧和右侧选项价值的半正交子空间。
• 量化不同试验和会话中价值子空间之间的正交程度。
• 将子空间正交性与选择行为相关联，特别是与选择价值较低选项的可能性相关联。
• 分析混合选择性模式，以确定线性和非线性调制如何共同促成子空间的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 奖励敏感脑区中的神经子空间是否以将价值与空间位置绑定的方式编码选项的价值？
• RQ2 价值子空间之间的正交程度是否与决策准确性及选择行为具有功能相关性？
• RQ3 何种神经编码机制——线性和非线性混合选择性——导致了这些半正交子空间的形成？
• RQ4 子空间正交性在不同会话中如何变化，这对行为可靠性有何含义？
• RQ5 神经群体编码结构是否能够解释可靠绑定与跨空间位置泛化之间的平衡？

主要发现

• 所有五个奖励敏感脑区的神经元均在半正交子空间中编码左右选项的价值，实现了价值信息与空间的可靠绑定。
• 子空间正交性较低的试验中，选择价值较低选项的可能性显著提高，表明其具有直接的行为影响。
• 子空间正交性在会话间与选择行为呈协变关系，表明其是决策可靠性的一种稳定神经相关物。
• 半正交子空间源于神经群体中线性和非线性混合选择性的共同作用。
• 这种混合选择性结构既支持价值与空间的可靠绑定，又支持在不同空间位置间泛化价值表征。
• 研究结果支持子空间正交化是决策过程中解决神经绑定问题的根本机制这一假说。