面对复杂决策时，我们往往会把问题拆解为一系列较小的决策。例如，医生决定如何治疗患者时，可能会按一系列层级步骤进行——选择诊断检测、解读结果，然后开具药物。
当一系列选择能够带来预期结果时，做出层级决策并不难。但结果不理想时，就很难弄清问题出在哪里。例如，患者接受治疗后没有好转，可能有许多原因：诊断检测也许只有75%的准确率，或者药物可能只对50%的患者有效。要决定下一步该怎么做，医生必须将这些概率考虑在内。
在一项新研究中，麻省理工学院的神经科学家探究了大脑如何在一系列层级决策之后推断失败的可能原因。他们发现，大脑借助额叶皮层多个区域组成的分布式网络进行两种计算。首先，大脑会计算对每个决策结果的信心，以判断最可能的失败原因；其次，当原因不易辨明时，大脑会进一步尝试，以增强信心。
“在头脑中建立层级结构，并在推断结果时沿着这一结构进行思考，是认知神经科学令人兴奋的前沿领域之一，”该研究的资深作者、罗伯特·A·斯旺森生命科学职业发展教授、麻省理工学院麦戈文脑科学研究所成员Mehrdad Jazayeri说。
麻省理工学院研究生Morteza Sarafyzad是这篇论文的第一作者。论文发表于《科学》，日期为5月16日。
层级推理
此前针对动物模型决策过程的研究，重点关注的是相对简单的任务。一类研究关注大脑如何通过评估瞬时证据来快速做出决策。例如，大量研究刻画了神经基质和机制，揭示动物如何逐次对不可靠刺激进行分类。另一些研究则关注大脑如何依据多次试验中的既往结果，在多个选项中做出选择。
“这些研究方向都取得了丰硕成果，”Jazayeri说。“不过，它们确实只是人类做决策时所做之事的冰山一角。一旦置身于真实的决策情境中，无论是选择伴侣、挑选汽车，还是决定是否服用某种药物，决策都会变得十分复杂。决策往往受许多因素影响，而这些因素可能在不同的时间尺度上发挥作用。”
麻省理工学院团队设计了一项行为任务，使他们能够研究大脑如何在多个时间尺度上处理信息并做出决策。基本设计是：动物根据两次闪光之间的时间间隔是否短于或长于850毫秒，做出两种眼球运动中的一种。
这项任务还有一个变化，要求动物通过层级推理来完成：决定应做出哪种眼球运动的规则，会在10至28次试验后悄然切换。因此，要获得奖励，动物必须先选对规则，再根据规则和时间间隔做出正确的眼球运动。然而，由于研究人员没有告知动物规则何时切换，动物无法直接判断错误究竟是因为选错规则，还是因为误判了时间间隔。
研究人员利用这一实验设计，探究支持层级推理的计算原理和神经机制。理论研究和针对人类的行为实验表明，推断错误的潜在原因，在很大程度上取决于大脑衡量这一过程每个步骤信心水平的能力。Jazayeri说：“人们认为，层级推理的关键之一，是对层级结构中的不同节点导致负面结果的可能性具备一定程度的信心。”
研究人员通过调整任务难度，得以研究信心的影响。在一些试验中，两次闪光之间的间隔远短于或远长于850毫秒。这些试验相对容易，动物的信心水平也较高。在另一些试验中，由于间隔更接近分界点、难以区分，动物对自己的判断不那么有把握。
正如研究人员所假设的那样，他们发现动物的行为会受到其对自身表现信心的影响。当时间间隔容易判断时，动物发现自己判断错误后，会更快地切换到另一条规则。当时间间隔较难判断时，动物对自身表现的信心较低，会再沿用同一条规则几次，然后才切换。
“它们知道自己没有把握，也知道如果没有把握，规则不一定已经改变。它们知道自己可能是[对时间间隔]判断失误了，”Jazayeri说。
决策回路
研究人员在每次试验结束后立即记录额叶皮层的神经活动，从而确定了两个对层级决策至关重要的脑区。他们发现，动物得知自己作答错误后，这两个脑区都会活跃起来，它们分别是前扣带皮层（ACC）和背内侧额叶皮层（DMFC）。研究人员将神经活动与动物行为联系起来分析后发现，两个脑区的神经元都会传递动物对规则可能发生切换的判断。值得注意的是，当动物在简单试验后犯错，或连续犯错时，与这种判断相关的活动会更“响亮”。
研究人员还发现，尽管这两个脑区呈现相似的活动模式，但尤其是ACC中的活动能够预测动物何时切换规则，这表明ACC在转换决策策略方面发挥着核心作用。事实上，研究人员发现，直接操控ACC中的神经活动，足以干扰动物的理性行为。
“额叶皮层中存在一个由这两个脑区构成的分布式回路，它们似乎呈层级组织，正如这项任务所要求的那样，”Jazayeri说。
耶鲁大学医学院神经科学、心理学和精神病学教授Daeyeol Lee表示，这项研究克服了研究此类决策过程的一大障碍，即缺少可用于研究单神经元分辨率下脑活动动态的动物模型。
“Sarafyazd和Jazayeri设计了一项精巧的决策任务，要求动物评估多种类型的证据，并指出内侧额叶皮层中两个不同脑区如何在处理不同来源的决策错误时发挥关键作用，”Lee说。他没有参与这项研究。“这项研究在严谨性和创造性方面都堪称杰作，也揭开了前额叶皮层又一层神秘面纱。”
