發(fā)布日期：2018-11-16
一塊香噴噴的奶酪擺在面前，任哪只小老鼠，都會(huì)興致沖沖地奔向美味。但如果奶酪旁冒出一只面露兇相的貓呢，老鼠會(huì)做出怎樣的選擇？食物和生命，哪個(gè)更重要？
現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)大腦中動(dòng)態(tài)評(píng)估選擇這些信息的重要機(jī)制，大腦首先要對(duì)與選擇相關(guān)信息的重要程度進(jìn)行評(píng)估，再通過(guò)“計(jì)算”做出選擇。近期發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》雜志上的這一重要發(fā)現(xiàn)，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員朱英杰與美國(guó)斯坦福大學(xué)生物系教授陳曉科合作完成，未來(lái)有望幫助我們了解那些決定人生成敗的選擇究竟是如何做出的，開(kāi)啟腦科學(xué)研究的又一重要領(lǐng)域。
研究發(fā)現(xiàn)，大腦存在一個(gè)動(dòng)態(tài)評(píng)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)能夠在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評(píng)估事件的重要性從而幫助我們做出恰當(dāng)選擇。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)元能夠外界信息的重要性（即生物學(xué)顯著性）進(jìn)行編碼，這些位于大腦中部PVT腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)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)境而動(dòng)態(tài)地變化，從而控制學(xué)習(xí)能力。
朱英杰告訴科技日?qǐng)?bào)記者，判斷信息的重要性是大腦的一個(gè)高級(jí)功能，它能夠幫助人們更好地適應(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)為人們未來(lái)研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了重要基礎(chǔ)，對(duì)普通人群和腦疾病患者的認(rèn)知與治療均具有突破性意義。
大腦中存在評(píng)估信息重要性的腦區(qū)
當(dāng)今社會(huì)，我們每時(shí)每刻都會(huì)接受海量信息的轟炸，為什么你會(huì)從海量信息中抽提出對(duì)你最重要的信息，并據(jù)此做出恰當(dāng)反應(yīng)？
“這是大腦信息處理面臨的一個(gè)基本問(wèn)題。”朱英杰表示。此前，國(guó)際科學(xué)界普遍認(rèn)為PVT調(diào)控負(fù)性情緒，朱英杰等針對(duì)同一腦區(qū)全面研究其基礎(chǔ)生理功能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證提出PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念。
“這項(xiàng)重要研究拓展了我們對(duì)丘腦功能的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機(jī)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(guó)斯坦福大學(xué)終身教授羅伯特·馬倫卡評(píng)價(jià)道。
科研人員首先訓(xùn)練小鼠進(jìn)行嗅覺(jué)巴浦洛夫條件性學(xué)習(xí)，將不同的氣味刺激跟獎(jiǎng)賞（水）或者懲罰（吹氣或電擊）偶聯(lián)起來(lái)，發(fā)現(xiàn)位于大腦中部的PVT神經(jīng)元能夠被重要的事件所激活，無(wú)論是獎(jiǎng)賞還是懲罰性刺激都能激活PVT。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)小鼠對(duì)氣味的反應(yīng)也很有意思。他們首次為小鼠呈現(xiàn)了不喜不厭的中性氣味，如果是第一次呈現(xiàn)該氣味，則能夠激活PVT；但是如果該氣味反復(fù)出現(xiàn)并且沒(méi)有伴隨任何后果時(shí)，PVT反應(yīng)逐漸消失；當(dāng)該氣味與獎(jiǎng)賞或懲罰偶聯(lián)起來(lái)時(shí)，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映刺激的強(qiáng)度。兩滴水的獎(jiǎng)賞比一滴水的獎(jiǎng)賞能夠更好地激活PVT，強(qiáng)烈的懲罰（電擊）比微弱的懲罰（吹氣）能夠誘發(fā)更大的PVT反應(yīng)。
“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?！犊茖W(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)道，朱英杰等人的實(shí)驗(yàn)，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。論文中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常巧妙，結(jié)果和展示都非常清楚，從而在對(duì)這一神秘腦區(qū)功能的理解上邁出了重要一步。
人為干預(yù)可能讓你緩入“七年之癢”
在發(fā)現(xiàn)了大腦中存在對(duì)信息重要性評(píng)估的腦區(qū)的基礎(chǔ)上，朱英杰與團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步思考，應(yīng)該如何深挖這種響應(yīng)機(jī)制，會(huì)具有怎樣的意義。
當(dāng)小老鼠饑腸轆轆時(shí)，食物對(duì)它來(lái)說(shuō)就是非常重要的資源；但是當(dāng)它酒足飯飽之后，食物的誘惑性就要大打折扣。另外，外部環(huán)境的變化也影響著事件的重要性，即使小鼠饑腸轆轆，食物就在眼前，但如果有只貓?jiān)谑澄锱赃叄@時(shí)貓的顯著性（重要性）就要大于食物，小鼠就會(huì)壓制對(duì)食物的沖動(dòng)首先躲避貓。
他們通過(guò)光纖成像記錄技術(shù)和單細(xì)胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，PVT神經(jīng)元的活動(dòng)能夠根據(jù)動(dòng)物內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境，動(dòng)態(tài)反映動(dòng)物對(duì)重要性的判斷。
同樣是用于獎(jiǎng)賞的水，該信息能夠在口渴的小鼠上誘發(fā)更大的PVT反應(yīng)。當(dāng)小鼠處于較弱的懲罰（吹氣）環(huán)境時(shí)，水的獎(jiǎng)賞信息能夠誘發(fā)很大的PVT反應(yīng)；但是如果切換到較強(qiáng)的懲罰（電擊）環(huán)境中，同樣是水的獎(jiǎng)賞信息，只能激發(fā)較小的PVT反應(yīng)。這說(shuō)明PVT的活動(dòng)能夠反映獎(jiǎng)賞的相對(duì)重要性（顯著性）。
此外，他們也在研究中發(fā)現(xiàn)了PVT腦區(qū)對(duì)于預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)落空存在動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制。也就是說(shuō)，當(dāng)每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現(xiàn)一塊奶酪時(shí)，它已經(jīng)習(xí)慣了這種獎(jiǎng)賞。但是，有一天當(dāng)小鼠去到冰箱前卻沒(méi)有看到奶酪時(shí)，它的“心理失落感”會(huì)激活PVT。
然而，由于動(dòng)物具有消退學(xué)習(xí)能力，即它如果習(xí)慣了冰箱前沒(méi)有奶酪，就會(huì)逐漸習(xí)慣于這種失落感而停止進(jìn)行該行為。就好比夫妻的“七年之癢”，如果一直習(xí)慣了對(duì)方的存在，PVT反應(yīng)也會(huì)趨于平淡，這時(shí)，夫妻就可能過(guò)成了“家人”。但如果一旦有外界環(huán)境的刺激，又可能會(huì)重新激活初戀時(shí)的“心跳感”。
不過(guò)，科研人員也發(fā)現(xiàn)，如果他們抑制小鼠的PVT活動(dòng)，其消退學(xué)習(xí)的過(guò)程則會(huì)變得更慢。針對(duì)上述例子，人為干預(yù)也可能會(huì)減緩感情消退的過(guò)程，使夫妻雙方一直保持“心動(dòng)感”。
為提高注意力和學(xué)習(xí)能力打開(kāi)一扇窗
以前，國(guó)際科學(xué)界對(duì)PVT的研究多是與人們的焦慮、恐懼、抑郁等負(fù)面情感有關(guān)，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，顛覆性地提出了PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念。
對(duì)信息重要性的評(píng)估有助于將注意力集中于重要事件，從而提高對(duì)該事件的學(xué)習(xí)能力。他們利用光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控發(fā)現(xiàn)，PVT控制著小鼠學(xué)習(xí)的速率和效果。在嗅覺(jué)巴浦洛夫條件性學(xué)習(xí)中，小鼠能夠?qū)W會(huì)氣味跟水獎(jiǎng)勵(lì)的偶聯(lián)，表現(xiàn)為預(yù)期性的舔水。在人為利用光遺傳技術(shù)抑制PVT活動(dòng)之后，這種偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損。這說(shuō)明，PVT的活動(dòng)對(duì)于學(xué)習(xí)能力是非常重要的。
近年來(lái)，腦科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。朱英杰等人的研究工作正是對(duì)PVT腦區(qū)的“讀”與“控”。通過(guò)調(diào)控PVT腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，他們發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)神經(jīng)元活性控制著小鼠學(xué)習(xí)能力。當(dāng)利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制PVT活動(dòng)后，偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損。
“未來(lái)我們將進(jìn)一步研究，是否可以通過(guò)增強(qiáng)PVT活動(dòng)來(lái)提高人們的注意力、增強(qiáng)人們的學(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)用打開(kāi)一扇窗口。”朱英杰表示。此外，該大腦機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)也可能會(huì)為未來(lái)類腦智能與人工智能技術(shù)的結(jié)合提供新的研究思路。
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
