作者：趙熙熙發(fā)布日期：2018-10-31
大腦中部的丘腦室旁核（PVT） 圖片來源：中科院深圳先進技術研究院
周末該在家看書還是出去K歌？寒冬將至，該堅持健身還是涮個火鍋？每天，人們都會面臨上百種選擇。以往，人們認為這種選擇理所當然。
然而，美國斯坦福大學生物系教授陳曉科與中科院深圳先進技術研究院腦所研究員朱英杰日前合作發(fā)現(xiàn)，大腦存在一個動態(tài)評估外界信息重要性的關鍵腦區(qū)——丘腦室旁核（PVT），該腦區(qū)能在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評估事件重要性，從而幫助人們作出恰當選擇。
此前，國際科學界普遍認為PVT調(diào)控焦慮、恐懼、抑郁等負性情緒，朱英杰等的這一發(fā)現(xiàn)，通過實驗論證，顛覆性提出PVT動態(tài)編碼事件重要性的概念，該成果于10月26日發(fā)表于《科學》雜志。
“這項重要研究拓展了我們對丘腦功能的認識，發(fā)現(xiàn)了影響學習和記憶的重要神經(jīng)機制。該工作將引起腦認知和腦疾病研究領域的廣泛關注，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區(qū)的功能。”美國三院院士、斯坦福大學終身教授Robert Malenka向《中國科學報》記者評價道。
掌管大腦“抉擇”的關鍵腦區(qū)
人們每時每刻都會接受海量信息的轟炸，你為何會從中抽提出對你最重要的信息，并據(jù)此作出恰當反應？
“這是大腦信息處理面臨的一個基本問題。”論文第一作者朱英杰表示。此前，他曾在《自然》雜志上發(fā)表另一項研究成果，首次發(fā)現(xiàn)大腦中存在可以用于戒除毒癮的全新神經(jīng)通路。此次《科學》發(fā)表的工作正是針對同一腦區(qū)的再次突破，全面研究PVT的基礎生理功能。
他們利用光遺傳學技術結(jié)合電生理和光纖記錄技術，首次發(fā)現(xiàn)在小鼠大腦中存在一群神經(jīng)元能夠編碼外界信息的重要性（即生物學顯著性）。這些位于大腦中部PVT腦區(qū)的神經(jīng)元活動能夠反映外界刺激的重要性，并且隨內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境動態(tài)變化，從而控制學習能力。
“判斷信息重要性是一個高級的大腦功能，它能幫助人們更好適應多變的環(huán)境，也控制著人們的注意力和學習能力。這一發(fā)現(xiàn)為未來研究如何提高大腦的認知和學習能力奠定了基礎，對普通人群和腦病患者的認知與治療均具有突破性意義。”朱英杰表示。
科研人員通過小鼠嗅覺巴浦洛夫條件性學習實驗，將不同氣味刺激跟獎賞（水）或懲罰（吹氣或電擊）偶聯(lián)，發(fā)現(xiàn)PVT神經(jīng)元會被重要事件激活，無論獎懲。
有趣的是，如果在小鼠面前反復呈現(xiàn)不喜不厭的中性氣味卻沒有伴隨任何后果，PVT反應會逐漸消失；當該氣味與獎懲偶聯(lián)時，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映獎懲的刺激強度。
“這是科學家第一次發(fā)現(xiàn)在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經(jīng)元。”論文通訊作者陳曉科表示。
抑制PVT或可延緩“七年之癢”
朱英杰等進一步發(fā)現(xiàn)，外界刺激的重要性不僅取決于刺激本身的物理特征，也與動物內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境有關。
例如，當饑腸轆轆時，鼠“以食為天”；當它酒足飯飽后，食物的誘惑性就要大打折扣。再來看外部環(huán)境，即使在饑餓的小鼠前放一塊誘人的奶酪，但若有只貓在食物旁張牙舞爪，小鼠也會壓制食欲先去逃命。
他們通過光纖成像記錄和單細胞電生理記錄技術從不同角度反復驗證發(fā)現(xiàn)，PVT神經(jīng)元活動能根據(jù)內(nèi)外環(huán)境，動態(tài)反映動物對重要性的判斷。
同樣是用于獎賞的水，口渴的小鼠PVT反應更大。當小鼠處于較弱懲罰時，水能誘發(fā)較大反應；若切換到較強懲罰環(huán)境，水只能激發(fā)較小反應。這說明PVT活動能反映獎懲的相對重要性。
此外，他們也發(fā)現(xiàn)了PVT腦區(qū)對于預期獎勵落空存在動態(tài)評估機制。如果每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現(xiàn)一塊奶酪，但有一天奶酪突然沒了，小鼠的“失落感”也會激活PVT。
然而，動物也具有消退學習能力，即它如果習慣了沒奶酪，就會逐漸停止該行為。就好像夫妻的“七年之癢”，如果一直習慣對方的存在，PVT反應也會趨于平淡。一旦有外界刺激，又可能重新激活初戀時的“心跳感”。不過科研人員也發(fā)現(xiàn)，抑制PVT活動，小鼠消退學習過程會變慢，那是不是說，我們也有可能減緩“七年之癢”的速度呢？
有望用于類腦人工智能
在活體動物身上進行多通道電生理記錄技術，對朱英杰來說是頭一遭。小鼠運動使得電噪音過大，讓他不得不花一兩個月到其他實驗室取經(jīng)。
而且，由于他們最開始采用的是光纖記錄技術，無法達到單細胞分辨率，因此又額外花了半年，用分辨率更高的電生理記錄技術再次驗證該現(xiàn)象。但也正是這些努力，使得實驗設計更為精巧，工作更具系統(tǒng)性。
“朱英杰等人報道了一系列非常漂亮的實驗，這些卓越并且激動人心的實驗結(jié)果證明了PVT在編碼顯著性和控制聯(lián)想學習效果上的重要作用。在這篇優(yōu)秀的論文中，實驗設計得非常優(yōu)雅，結(jié)果和展示都非常清楚。讓讀者在對這一神秘腦區(qū)功能的理解上邁出了重要的一步。”審稿人對文章作出一致高度評價。
近年來，腦科學研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。朱英杰等的工作正是對PVT腦區(qū)的“讀”與“控”。
通過調(diào)控PVT腦區(qū)的神經(jīng)活動，他們發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)神經(jīng)元活性控制著小鼠的學習能力。當利用光遺傳學技術抑制PVT活動后，偶聯(lián)性學習的速率和效果都大大受損，表明PVT活動對學習能力的重要性。
“未來我們將進一步研究，可否通過增強PVT活動提高人們的注意力、增強學習能力，這將為轉(zhuǎn)化應用打開一扇窗口。”朱英杰表示。
此外，研究大腦如何動態(tài)評估外界信息重要性的內(nèi)在機制，也將為未來發(fā)展類腦智能，增強腦機融合，推動人工智能技術的跨越發(fā)展帶來啟發(fā)。（通訊員 姜天海 本報記者 潘希）
來源：中國科學報
