眼睛是心灵的窗口，无论是人还是动物，眼神都可以表达出他们的内心感受。其中，瞳孔是眼神变化的重要组成部分。瞳孔的大小，不仅受到了外界光强度的影响，也能够反映动物内部状态的变化。瞳孔的动态变化一直受到关注，但是它动态认知控制机制仍然不清楚。2024年3月21日，the Journal of Neuroscience在线（Early Release）刊出了：“Pupillary responses reflect dynamic changes in multiple cognitive factors during associative learning in primates”。该研究揭示了猕猴在关联学习中，瞳孔长时程的变化规律和相关认知机制。
图1 关联学习中瞳孔变化的记录
（图源：Zhang, Y. et al ., J Neurosci, 2024）
研究者将高低两种奖励水平（High reward, HR; Low reward, LR）与不同的视觉线索绑定，在这种简单的关联学习实验设计下测量了三只猕猴瞳孔大小的动态变化规律（图1）。研究发现在关联学习的过程中（图2）（从注视期到学习期），不同视觉刺激诱发的瞳孔反应在 trial结束之前的平均值的差异清晰的展示了动物对关联事物的理解程度（图2A）。并且每个学习阶段瞳孔的变化特点各有侧重，比如刺激出现前后瞳孔收缩和扩张的幅度等等（图2B）。
图2 瞳孔大小在一只猕猴关联学习中的长期变化
（图源：Zhang, Y. et al ., J Neurosci, 2024）
随后，研究者通过线性模型，分离了影响瞳孔变化的不同认知因素。结果表明，该模型可以较好的解释关联学习过程中的瞳孔变化。研究者发现瞳孔在长时程的学习过程中的动态变化受到外部和内部共5个不同的因素共同影响（图3），包含自然注视空白屏时诱发的瞳孔反应（Evoked by fixation drift, FDE），视觉刺激出现和消失诱发的瞳孔反应（Evoked by stimulus, SE），奖励状态切换引起的瞳孔反应（Evoked by reward states. RSE），对即将到来的奖励水平的预测（Evoked by reward expectation, REE），以及动物觉醒水平的变化引发的瞳孔基线反应的变化（Baseline, BL）。
图3 控制瞳孔的不同认知成份的模型解析和在3只猕猴中的差异
（图源：Zhang, Y. et al ., J Neurosci, 2024）
研究者发现虽然动物间不同成份造成的瞳孔变化在时间的变化高度相似，比如成份SE和REE仅在刺激呈现之后才会对瞳孔大小产生影响，而FDE和RSE则在刺激呈现之前就会对瞳孔反应产生影响。但动物间不同成分造成的瞳孔变化在形状并不完全相同，比如REE的单峰和双峰形态，这些发现说明关注个体差异性的重要性（图3 偶数列）。此外，研究者通过观察不同影响因素在跨天学习中权重的变化，发现只有RSE和REE成分表现出与注视期和学习期切换的节奏相同（图3奇数列）。
为了进一步刻画不同影响因素与学习的关联，研究者对注视期和学习期不同因素的权重变化与学习的block编号进行了相关分析（图4）。最终，研究者发现影响瞳孔变化的成份中只有奖励状态（RSE）和对奖励水平的预测（REE）两个成份与学习高度相关（图4F）。其中RSE和REE均与奖励规则相关（图4C和D）。除此之外，结果发现不管是HRS还是LRS的RSE成分在学习期内均与学习时间呈正相关（图4C），即RSE与高奖励关联的刺激内容无关；而REE则与高奖励关联的内容相关，HRS的RSE成分在学习期内均与学习时间呈正相关，LRS的RSE成分在学习期内均与学习时间呈负相关（图4D）。而其它三种成份则没有表现出与学习的关联（图4 A, B, E）。
图4 控制瞳孔的多种成份显示了不同的学习变化规律
（图源：Zhang, Y. et al ., J Neurosci, 2024）
这项猕猴研究，不仅刻画了关联学习过程中，瞳孔大小在多个时间尺度上（从秒、小时、天一直到月）的变化规律，还提供了简单的数学模型分析，揭示了控制瞳孔变化的多个认知机制，及其与学习的关系。这对于使用瞳孔这一生理信号研究婴幼儿和模式动物的学习、记忆和情绪以及测谎应用都具有借鉴意义。
该论文第一作者为北师大博士研究生张艳歌，通讯作者为邢大军教授。北师大已经毕业的博士王天、戴伟枫、李洋、杨祎、武宇洁、以及在读博士生黄见操和周婷婷对此项工作也做出了重要贡献。该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2022ZD0204600）和国家自然科学基金（32171033）的资助。
原文链接：https://www.jneurosci.org/content/early/2024/03/20/JNEUROSCI.2141-23.2024
