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(shù)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(rèn)為這種選擇理所當(dāng)然。
然而，美國斯坦福大學(xué)生物系教授陳曉科與中科院深圳先進技術(shù)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(guān)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(dāng)選擇。
此前，國際科學(xué)界普遍認(rèn)為PVT調(diào)控焦慮、恐懼、抑郁等負(fù)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(xué)》雜志。
“這項重要研究拓展了我們對丘腦功能的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機制。該工作將引起腦認(rèn)知和腦疾病研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)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(xué)終身教授Robert Malenka向《中國科學(xué)報》記者評價道。
掌管大腦“抉擇”的關(guān)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(dāng)反應(yīng)？
“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(xué)》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(chǔ)生理功能。
他們利用光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合電生理和光纖記錄技術(shù)，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(xué)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(xué)習(xí)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(yīng)多變的環(huán)境，也控制著人們的注意力和學(xué)習(xí)能力。這一發(fā)現(xiàn)為未來研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)，對普通人群和腦病患者的認(rèn)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(xué)習(xí)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(fù)呈現(xiàn)不喜不厭的中性氣味卻沒有伴隨任何后果，PVT反應(yīng)會逐漸消失；當(dāng)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(xué)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(guān)。
例如，當(dāng)饑腸轆轆時，鼠“以食為天”；當(dāng)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(xì)胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復(fù)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(yīng)更大。當(dāng)小鼠處于較弱懲罰時，水能誘發(fā)較大反應(yīng)；若切換到較強懲罰環(huán)境，水只能激發(fā)較小反應(yīng)。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(yù)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(xué)習(xí)能力，即它如果習(xí)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(xí)慣對方的存在，PVT反應(yīng)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(xué)習(xí)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(shù)，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(shù)，無法達(dá)到單細(xì)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(shù)再次驗證該現(xiàn)象。但也正是這些努力，使得實驗設(shè)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(xué)習(xí)效果上的重要作用。在這篇優(yōu)秀的論文中，實驗設(shè)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(xué)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(xué)習(xí)能力。當(dāng)利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制PVT活動后，偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損，表明PVT活動對學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)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(shù)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(xué)報
