Nature | 前額葉的神經表征幾何：價值、顯著性與效價的正交編碼

基本信息

Title:Prefrontal neural geometry of learned cues guides motivated behaviours

發表時間：2026.1.7

發表期刊:Nature

影響因子：48.5

研究背景

在生存充滿不確定性的自然界中，大腦無時無刻不在進行著復雜的“價值評估”。當草叢中傳來一聲異響，你是該以此為信號去捕獵（獎賞），還是該立刻逃跑（懲罰）？為了做出最優決策，大腦必須從環境線索中提取出三個關鍵維度的信息：

1. 顯著性 (Salience)：這個刺激有多重要？是否值得我投入注意力？（通常由刺激的物理強度或驚嚇程度決定）。
2. 效價 (Valence)：這個刺激是好的（正向）還是壞的（負向）？
3. 價值 (Value)：結合當前的生理需求，這個刺激對我來說主觀價值如何？

長期以來，認知神經科學領域面臨一個巨大的挑戰：這三個維度在行為上和神經表征上往往高度相關：例如，高價值的獎賞通常也伴隨著高顯著性，強烈的疼痛既是負效價也是高顯著性。這種“共線性”使得研究者難以理清大腦究竟是如何分別編碼這些信息的。

背內側前額葉皮層 (dmPFC)被認為是連接環境刺激與目標導向行為的關鍵樞紐。雖然已有研究暗示dmPFC參與了上述維度的處理，但其神經群體究竟是混雜地編碼這些信息，還是通過特定的幾何結構將它們區分開來？這是一個懸而未決的謎題。本期推薦2026年1月7日發表于Nature的最新研究，利用精巧的行為范式和雙光子成像技術，為我們揭示了dmPFC神經群體如何通過“正交幾何”來解構這些動機變量。

研究核心總結

這項由 Daniel Jercog 團隊帶來的研究，通過在自由活動的雄性小鼠dmPFC區域進行大規模單神經元鈣成像，結合機器學習解碼技術，通過一個設計精妙的“工具性趨避任務”，成功分離了顯著性、效價和價值的神經表征。

Fig. 1 | Behavioural framework and task used to evaluate salience, valence and value coding.

1. 核心發現：多維并存與價值主導

研究結果表明，dmPFC神經群體并非單一地編碼某一種屬性，而是通過不同的神經元子集同時對多種動機維度進行編碼。其中，價值(Value) 是dmPFC群體活動中最主要的編碼維度。這意味著，相比于刺激的物理屬性，dmPFC更關心刺激對個體當前的“主觀重要性”，并據此驅動相應的行為反應。

Fig. 2 | dmPFC neural population activity consistent with value coding scheme.

2. 神經幾何機制：正交編碼

這是本研究最令人興奮的發現。為了解耦顯著性和效價，研究者設計了三類刺激：

• CSr (獎賞)：正效價，高顯著性。
• CSs (強電擊)：負效價，高顯著性（在行為反應強度上與CSr匹配）。
• CSw (弱電擊)：負效價，低顯著性。

通過構建神經狀態空間（State Space），研究者發現顯著性和效價在dmPFC的神經表征中表現為近乎正交 (Orthogonal) 的信息軸。具體而言，當研究者訓練解碼器區分不同效價的刺激時，該解碼器無法區分不同顯著性的刺激，反之亦然。這種正交的幾何結構意味著，大腦可以在不干擾“好壞判斷（效價）”的前提下，獨立地調節“注意力強度（顯著性）”，這是一種極其高效的編碼策略。

Fig. 3 | Valence and salience are orthogonally represented within dmPFC networks.

3. 動態重構與因果分離

通過“獎賞貶值（Reward Devaluation）”實驗（即讓小鼠喝飽水后再測試），研究者進一步驗證了這種編碼的獨立性。結果顯示，當獎賞的主觀價值降低時，CSr（獎賞線索）在神經空間中沿著顯著性軸發生了特異性的移動（顯著性降低），但在效價軸上保持穩定。這說明dmPFC能夠根據內部狀態（如干渴程度）動態地重塑對外部線索的神經表征幾何。

Fig. 4 | Identifying salience, valence and value ensembles in the dmPFC.

4. 關鍵意義

該研究不僅在細胞層面解構了動機行為的神經計算機制，更重要的是提出了dmPFC通過正交的神經流形 (Neural Manifold) 來表征復雜動機變量的理論框架。這種幾何表征使得大腦能夠靈活地在不同維度上處理信息，為我們理解焦慮癥、成癮等精神疾病中出現的“價值評估異常”或“負性偏向”提供了全新的神經環路視角。

Abstract

Animals continuously evaluate their surroundings to decide whether to approach rewarding opportunities or avoid potential threats. Assigning the appropriate importance to environmental stimuli is not only crucial for survival but also underlies complex forms of goal-directed behaviour that are shared across species, including humans. Understanding how the brain translates such sensory cues into motivated behaviours is, therefore, central to neuroscience and psychology. The dorsomedial prefrontal cortex (dmPFC) is a critical structure that bridges relevant environmental stimuli to goal-directed behaviour. Salience, valence and value are key dimensions defining stimulus relevance, but how the dmPFC processes and organizes such dimensions to drive motivated behaviour remains unclear. Here we monitored single-neuron populations in the dmPFC using calcium imaging in freely moving male mice while discriminating between stimuli predicting different reward or punishment outcomes, which enabled an unprecedented dissociation of salience, valence and value information. We found that dmPFC populations primarily encode appetitive and aversive values of learned stimuli and that subpopulations encode valence and salience along orthogonal information axes. Our results highlight a concurrent multifaceted population coding of value, salience and valence of stimuli during associative learning within dmPFC networks, such that the geometry of dmPFC neuronal representations dynamically shapes appetitive and aversive motivated behaviours.