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本研究针对自发行为如何被组织成具有任务特性的行为状态这一核心问题，通过开发状态层次化行为测序（shMoSeq）模型，结合在小鼠背内侧前额叶皮层（dmPFC）的钙成像和电生理记录，揭示了行为由秒至分钟尺度的状态构成，且dmPFC神经元活动优先编码这些高层次状态而非瞬时运动。研究发现，dmPFC损伤会改变行为状态的分布，表明其在行为状态选择中起因果作用。该工作为理解大脑如何将连续行为组织为有意义的“任务”单元提供了新框架。
动物在自然环境中如何将连续不断的行为流组织成有意义的单元，是神经科学和行为学的核心问题之一。传统的实验范式通过设定明确的任务来研究行为控制，但动物在不受约束的“自发”探索中，其行为同样展现出高度的结构性。这种结构性是否反映了大脑内部对行为的高层次组织，如同将行为分解为一系列“自我发起”的任务？前额叶皮层（PFC）在执行外部赋予的任务时扮演关键角色，那么它是否也参与组织这些自发的、自我导向的行为“任务”？
为了回答这些问题，研究人员对自由活动的小鼠进行了研究。他们开发了一种名为状态层次化运动测序（state-based hierarchical Motion Sequencing, shMoSeq）的新计算方法，该模型能够从高速视频记录的行为中识别出不同时间尺度的结构：毫秒级的姿势、亚秒级的“音节”（如转身、抬头等基本动作单元）以及持续数秒至分钟的“行为状态”。研究发现，自发行为确实由这些相对稳定的行为状态序列构成，每个状态都对应着一组特定音节的使用模式，例如“探索性 locomotion”、“局部调查”或“理毛”。重要的是，简单的马尔可夫模型（即仅根据前一时刻预测当前时刻的模型）无法解释行为序列中长达数十秒的预测性，这表明存在更高阶的组织原则。
为了探究大脑如何表征这种行为层次结构，研究人员同时在背内侧前额叶皮层（dmPFC）进行了钙成像记录。结果发现，dmPFC的神经活动与行为状态高度相关，而非仅仅编码低级的运动细节。大量dmPFC神经元在选择性地对特定行为状态做出反应，并且从群体神经活动中可以高精度地解码出当前的行为状态。这种状态编码是dmPFC的特有属性，因为在作为对照的背外侧纹状体（DLS）中，神经活动更倾向于编码瞬时的音节和运动学变量，而非长时间尺度的行为状态。
研究进一步发现，dmPFC对行为状态的编码是“任务相关”的。例如，当环境中存在新异物体时，表征物体接近度的神经元在“局部调查”状态中活动最强；当存在同笼伙伴时，表征社会接近度的神经元在“社会参与”状态中活动最显著；而当小鼠遭受攻击性同伴威胁时，dmPFC对墙壁（作为一种防御性 affordance）距离和方向的编码会显著增强。这表明dmPFC会根据行为情境的“相关性”来调整其对环境信息的表征强度。
为了验证dmPFC在行为状态选择中的因果作用，研究人员对dmPFC进行了损伤。结果发现，损伤后的小鼠虽然整体运动能力正常，但其行为的时间结构发生了改变：行为序列的预测性持续时间（即“互信息”衰减时间）显著缩短。具体而言，损伤小鼠表现出更频繁的常见状态（如探索性运动），而较少进入那些使用频率较低但更特异的状态（如理毛和局部调查）。这表明dmPFC的功能在于促进在特定情境下适宜但相对不常用的行为状态的表达，从而维持行为模式的多样性和适应性。
综合而言，这项研究揭示了自发探索行为是由一系列持续数秒至分钟的、任务式的行为状态构成的层次化序列。dmPFC并不直接控制每一时刻的动作，而是通过表征这些高层次的行为状态，为行为提供结构和语境，其作用类似于在实验性任务中设置“任务规则”。这项工作将认知控制的研究范畴从实验室任务拓展到了自然的、自我导向的行为中，为理解大脑如何创造和组织行为提供了新的理论框架和实验工具。相关论文发表在《Neuron》杂志上。
本研究的关键技术方法包括：利用多视角深度相机和红外相机进行三维关键点追踪和姿态估计；通过运动序列分析（MoSeq）无监督地识别行为音节；新开发的状态层次化运动序列（shMoSeq）模型用于推断行为状态；在自由行为小鼠的背内侧前额叶皮层（dmPFC）和背外侧纹状体（DLS）进行基于微型显微镜的钙成像和基于Neuropixels探针的电生理记录；以及通过兴奋性毒素注射进行dmPFC损伤。
行为状态捕获探索性行为中的高阶结构
通过shMoSeq模型分析，研究人员发现小鼠的自发行为可以分解为五个主要的行为状态。这些状态包括理毛、对周围环境或同笼伙伴的调查，以及两种绕场探索的运动模式。状态之间的转换并非随机，而是体现了行为从一种“任务”焦点转向另一种的过渡。行为状态与音节并非一一对应，大多数音节可在多个状态中使用，表明状态定义的是音节使用的整体模式，而非具体动作本身。
行为状态构建了dmPFC中的神经活动
在dmPFC中，大量神经元表现出对特定行为状态的选择性反应。这些状态调制的神经元活动使得从神经群体活动中解码行为状态达到很高的准确率。降维可视化显示，不同的行为状态对应着dmPFC神经活动空间中的不同区域。重要的是，神经活动的变化在时间上倾向于滞后于行为状态的转换，这与dmPFC更多地反映正在进行的行为的“状态”或“语境”，而非发起瞬间动作的观点一致。
与任务相关的变量在特定行为状态下被选择性强调
dmPFC神经元编码多种空间和环境 affordance 相关的变量，如到墙壁的距离和方向、到同笼伙伴或物体的距离等。关键的是，这种编码是状态依赖的。例如，对墙壁方向敏感的神经元在探索性运动状态中活动最强；对同笼伙伴接近度敏感的神经元在社会互动状态中反应最剧烈；对物体接近度敏感的神经元在局部调查状态中编码最准确。这表明dmPFC根据当前行为的“任务”目标来动态调整其信息处理优先级。
dmPFC是行为状态适当选择和序列化所必需的
dmPFC损伤实验证实了该脑区在行为状态组织中的因果作用。损伤后，行为序列的长期预测性（互信息衰减时间）显著缩短，表明行为的时间结构变得更为碎片化。损伤还特异性地减少了某些状态（如理毛、局部调查）的使用，而增加了常见状态（如探索性运动）的使用。特别是在有新奇物体的环境中，损伤削弱了动物根据环境变化（出现物体）调整调查行为的能力。这表明dmPFC的功能在于维持行为序列的层次结构，并确保在合适的情境下表达适宜的行为状态。
研究结论与意义
本研究通过将计算行为分析与特定脑区的神经记录相结合，论证了自发行为具有内在的层次结构，由相对长时间尺度的“行为状态”序列构成。背内侧前额叶皮层（dmPFC）是这种层次结构的关键神经基质，其活动优先编码高层次的行为状态，并根据行为情境的“任务相关性”来调节对环境信息的表征。dmPFC的功能在于支持行为状态的适当选择和序列化，从而赋予自发行为以结构性和适应性。这项研究建立了一个桥梁，将常用于研究外部任务下认知控制的范式，与对自然、自我导向行为的理解连接起来，表明大脑可能使用类似的原则来组织外显任务和自发的探索。shMoSeq模型为此类研究提供了强大的新工具。未来的工作可以进一步探索其他脑区在行为层次结构中的作用，以及这些层次表征是如何在发育和经验中形成的。
