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你做的每一次选择 都是这个神秘脑区在发令

2018-11-13 07:46:42 科技日报

  一块香喷喷的奶酪摆在面前,任哪只小老鼠,都会兴致冲冲地奔向美味。但如果奶酪旁冒出一只面露凶相的猫呢,老鼠会做出怎样的选择?食物和生命,哪个更重要?

  现在,中国科学家已发现大脑中动态评估选择这些信息的重要机制,大脑首先要对与选择相关信息的重要程度进行评估,再通过“计算”做出选择。近期发表于美国《科学》杂志上的这一重要发现,由中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员朱英杰与美国斯坦福大学生物系教授陈晓科合作完成,未来有望帮助我们了解那些决定人生成败的选择究竟是如何做出的,开启脑科学研究的又一重要领域。

  研究发现,大脑存在一个动态评估外界信息重要性的关键脑区——丘脑室旁核(PVT),该脑区能够在不同环境和生理状态下评估事件的重要性从而帮助我们做出恰当选择。他们利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术,首次发现在小鼠大脑中存在一群神经元能够外界信息的重要性(即生物学显著性)进行编码,这些位于大脑中部PVT脑区的神经元活动能够反映外界刺激的重要性,并且随内在生理状态和外部环境而动态地变化,从而控制学习能力。

  朱英杰告诉科技日报记者,判断信息的重要性是大脑的一个高级功能,它能够帮助人们更好地适应多变的环境,也控制着人们的注意力和学习能力。这一发现为人们未来研究如何提高大脑的认知和学习能力奠定了重要基础,对普通人群和脑疾病患者的认知与治疗均具有突破性意义。

  大脑中存在评估信息重要性的脑区

  当今社会,我们每时每刻都会接受海量信息的轰炸,为什么你会从海量信息中抽提出对你最重要的信息,并据此做出恰当反应?

  “这是大脑信息处理面临的一个基本问题。”朱英杰表示。此前,国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪,朱英杰等针对同一脑区全面研究其基础生理功能,通过实验论证提出PVT动态编码事件重要性的概念。

  “这项重要研究拓展了我们对丘脑功能的认识,发现了影响学习和记忆的重要神经机制。该工作将引起脑认知和脑疾病研究领域的广泛关注,并吸引更多研究者探索PVT这一重要脑区的功能。”美国斯坦福大学终身教授罗伯特·马伦卡评价道。

  科研人员首先训练小鼠进行嗅觉巴浦洛夫条件性学习,将不同的气味刺激跟奖赏(水)或者惩罚(吹气或电击)偶联起来,发现位于大脑中部的PVT神经元能够被重要的事件所激活,无论是奖赏还是惩罚性刺激都能激活PVT。

  联合团队发现小鼠对气味的反应也很有意思。他们首次为小鼠呈现了不喜不厌的中性气味,如果是第一次呈现该气味,则能够激活PVT;但是如果该气味反复出现并且没有伴随任何后果时,PVT反应逐渐消失;当该气味与奖赏或惩罚偶联起来时,PVT又能被激活。此外,PVT被激活的幅度也能反映刺激的强度。两滴水的奖赏比一滴水的奖赏能够更好地激活PVT,强烈的惩罚(电击)比微弱的惩罚(吹气)能够诱发更大的PVT反应。

  “这是科学家第一次发现在丘脑中存在能反映外界刺激重要性的神经元。”论文通讯作者陈晓科表示。《科学》杂志审稿人评价道,朱英杰等人的实验,证明了PVT在编码显著性和控制联想学习效果上的重要作用。论文中的实验设计得非常巧妙,结果和展示都非常清楚,从而在对这一神秘脑区功能的理解上迈出了重要一步。

  人为干预可能让你缓入“七年之痒”

  在发现了大脑中存在对信息重要性评估的脑区的基础上,朱英杰与团队又进一步思考,应该如何深挖这种响应机制,会具有怎样的意义。

  当小老鼠饥肠辘辘时,食物对它来说就是非常重要的资源;但是当它酒足饭饱之后,食物的诱惑性就要大打折扣。另外,外部环境的变化也影响着事件的重要性,即使小鼠饥肠辘辘,食物就在眼前,但如果有只猫在食物旁边,这时猫的显著性(重要性)就要大于食物,小鼠就会压制对食物的冲动首先躲避猫。

  他们通过光纤成像记录技术和单细胞电生理记录技术从不同角度反复验证发现,PVT神经元的活动能够根据动物内在生理状态和外部环境,动态反映动物对重要性的判断。

  同样是用于奖赏的水,该信息能够在口渴的小鼠上诱发更大的PVT反应。当小鼠处于较弱的惩罚(吹气)环境时,水的奖赏信息能够诱发很大的PVT反应;但是如果切换到较强的惩罚(电击)环境中,同样是水的奖赏信息,只能激发较小的PVT反应。这说明PVT的活动能够反映奖赏的相对重要性(显著性)。

  此外,他们也在研究中发现了PVT脑区对于预期奖励落空存在动态评估机制。也就是说,当每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪时,它已经习惯了这种奖赏。但是,有一天当小鼠去到冰箱前却没有看到奶酪时,它的“心理失落感”会激活PVT。

  然而,由于动物具有消退学习能力,即它如果习惯了冰箱前没有奶酪,就会逐渐习惯于这种失落感而停止进行该行为。就好比夫妻的“七年之痒”,如果一直习惯了对方的存在,PVT反应也会趋于平淡,这时,夫妻就可能过成了“家人”。但如果一旦有外界环境的刺激,又可能会重新激活初恋时的“心跳感”。

  不过,科研人员也发现,如果他们抑制小鼠的PVT活动,其消退学习的过程则会变得更慢。针对上述例子,人为干预也可能会减缓感情消退的过程,使夫妻双方一直保持“心动感”。

  为提高注意力和学习能力打开一扇窗

  以前,国际科学界对PVT的研究多是与人们的焦虑、恐惧、抑郁等负面情感有关,他们通过实验论证,颠覆性地提出了PVT动态编码事件重要性的概念。

  对信息重要性的评估有助于将注意力集中于重要事件,从而提高对该事件的学习能力。他们利用光遗传学神经调控发现,PVT控制着小鼠学习的速率和效果。在嗅觉巴浦洛夫条件性学习中,小鼠能够学会气味跟水奖励的偶联,表现为预期性的舔水。在人为利用光遗传技术抑制PVT活动之后,这种偶联性学习的速率和效果都大大受损。这说明,PVT的活动对于学习能力是非常重要的。

  近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。朱英杰等人的研究工作正是对PVT脑区的“读”与“控”。通过调控PVT脑区的神经活动,他们发现该脑区神经元活性控制着小鼠学习能力。当利用光遗传学技术抑制PVT活动后,偶联性学习的速率和效果都大大受损。

  “未来我们将进一步研究,是否可以通过增强PVT活动来提高人们的注意力、增强人们的学习能力,这将为转化应用打开一扇窗口。”朱英杰表示。此外,该大脑机制的研究发现也可能会为未来类脑智能与人工智能技术的结合提供新的研究思路。

编辑:谷永光
 

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