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基本信息

Title:Representational similarity modulates neural and behavioral signatures of novelty

發(fā)表時(shí)間：2026.3.20

發(fā)表期刊:Neuron

影響因子：15.0

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研究背景

我們的大腦天生就是一個(gè)“喜新厭舊”的機(jī)器。當(dāng)我們走進(jìn)一家未曾嘗試過的餐廳、遇見一位從未謀面的新同事時(shí)，腦海中會(huì)瞬間涌現(xiàn)出一種獨(dú)特的感覺：“這是新的”。這種對(duì)新異性（Novelty）的敏銳洞察，是大腦有效適應(yīng)環(huán)境、整合信息、甚至是維持生存的基石。

然而，在這個(gè)充滿了各種“幾乎”和“似曾相識(shí)”的世界里，“新”這個(gè)詞往往帶著復(fù)雜的色彩。想象一下，如果你在街上看到了一只從未見過的狗，但它長(zhǎng)得非常像你家里養(yǎng)的那只，你的大腦該如何界定它的“新”？是把它當(dāng)作一個(gè)全新的物種（全新的新異性），還是僅僅視為你所熟知事物的微小變體（相似的新異性）？

長(zhǎng)期以來，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域傾向于將新異性視為一個(gè)非黑即白、要么全有要么全無（Binary）的簡(jiǎn)單狀態(tài)，卻忽略了一個(gè)關(guān)鍵的、連續(xù)的維度：新異刺激在神經(jīng)表征上與舊刺激之間究竟有多相似。這種相似性是否會(huì)像一個(gè)隱形的調(diào)節(jié)器，默默地改變大腦產(chǎn)生新異性信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而影響我們最終的學(xué)習(xí)和記憶表現(xiàn)？本研究正是試圖撥開這層迷霧，深入探索表征相似性如何動(dòng)態(tài)塑造大腦對(duì)新異性的反應(yīng)機(jī)制。

研究核心總結(jié)

本研究通過精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合先進(jìn)的功能磁共振成像（fMRI）技術(shù)，深入探討了表征相似性對(duì)新異性（Novelty）加工的調(diào)節(jié)機(jī)制。結(jié)果表明，大腦并非無差別地產(chǎn)生“新異性”信號(hào)。相反，新刺激與已有記憶在神經(jīng)表征上的相似度（Representational Similarity）深刻調(diào)制了新異性的神經(jīng)和行為特征。

Figure 1. From count-based to similarity-based novelty

一、相似性調(diào)節(jié)新異性信號(hào)的強(qiáng)度與募集

結(jié)果顯示，新異性并非一種絕對(duì)的、非黑即白的狀態(tài)，而是受到相似性的連續(xù)譜調(diào)制。具體表現(xiàn)為，當(dāng)新刺激在神經(jīng)表征上與已知刺激高度相似時(shí)，大腦的核心新異性回路（包括多巴胺能中腦、腹側(cè)紋狀體等）對(duì)該刺激的新異性反應(yīng)會(huì)顯著減弱；只有當(dāng)刺激在表征層面上體現(xiàn)出較低的相似性（即真正“更”新）時(shí)，這些回路才能被強(qiáng)烈且廣泛地激活。這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的“全有或全無”新異性模型。

Figure 2. Similarity-based novelty robustly explains novelty responses in mouse V1

二、機(jī)制解釋：基于相似性的內(nèi)側(cè)顳葉計(jì)算

研究進(jìn)一步揭示了這一調(diào)制背后的神經(jīng)機(jī)制，關(guān)鍵在于內(nèi)側(cè)顳葉（MTL）精細(xì)的計(jì)算過程。大腦利用圍嗅皮層（Perirhinal Cortex, PRC）和海馬體（Hippocampus）中的表征相似度作為一個(gè)關(guān)鍵的過濾器（Filter），對(duì)“新”信號(hào)進(jìn)行分級(jí)計(jì)算。高相似性的新刺激在嗅皮層中會(huì)被評(píng)估為具有較高的熟悉度或“重復(fù)”特征，從而抑制了向海馬體及后續(xù)多巴胺回路傳遞強(qiáng)烈的新異性警報(bào)。而低相似性的刺激則更有可能通過海馬體的模式分離（Pattern Separation）機(jī)制，被成功識(shí)別為真正的、不相關(guān)的新異性。

Figure 3. Similarity-based novelty explains mouse exploration in an unfamiliar maze

三、行為學(xué)意義：相似性預(yù)測(cè)記憶表現(xiàn)

在行為層面，個(gè)體對(duì)新異刺激的后續(xù)記憶表現(xiàn)可以被其神經(jīng)表征相似性精確預(yù)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)“新”刺激在神經(jīng)層面上被表征為與某一“舊”刺激過分相似時(shí)，被試在隨后的記憶測(cè)試中更容易將該新刺激錯(cuò)誤地識(shí)別為舊刺激（即發(fā)生錯(cuò)誤識(shí)別，F(xiàn)alse Recognition）。而那些在神經(jīng)表征上與舊刺激保持適當(dāng)、明確差異的新刺激，則能產(chǎn)生最佳的新異性反應(yīng)，從而促進(jìn)大腦對(duì)其進(jìn)行有效編碼和持久記憶。

Figure 4. A framework for new theory-driven experiments

研究意義

這一研究具有重要的理論貢獻(xiàn)。它打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，提出了一種更為動(dòng)態(tài)、連續(xù)的新異性加工框架：大腦對(duì)“新”的界定受到記憶表征相似性的連續(xù)譜調(diào)制。這不僅深化了我們對(duì)內(nèi)側(cè)顳葉（尤其是嗅皮層與海馬）在記憶加工中角色的理解，也為解釋某些神經(jīng)發(fā)育或認(rèn)知障礙（如阿爾茨海默病中難以區(qū)分相似細(xì)節(jié)）提供了新的神經(jīng)生物學(xué)視角。

Abstract

Novelty signals in the brain drive exploration and learning. While the perceived novelty of a stimulus is known to depend on previous experience, it remains elusive how generalization between familiar and novel stimuli impacts novelty computation. Specifically, existing models of novelty computation fail to account for the effects of stimulus similarities that are abundant in naturalistic tasks. Here, we present a biologically plausible model that captures how stimulus similarities modulate novelty signals in the brain and influence novelty-driven exploration. By applying our model to two publicly available datasets, we show (1) how generalization across similar visual stimuli affects novelty responses in the mouse visual cortex and (2) how generalization across nearby locations impacts mouse exploration in an unfamiliar environment. Our model explains distinct neural and behavioral signatures of novelty, makes mechanistic predictions about synaptic plasticity rules in novelty-computing circuits, and enables theory-driven experiment design.

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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