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科学家发现大脑动态评估信息重要性机制

来 源:中国科学报
发布时间:2018-10-31

大脑中部的丘脑室旁核(PVT) 图片来源:中科院深圳先进技术研究院

■通讯员 姜天海 本报记者 潘希

周末该在家看书还是出去K歌?寒冬将至,该坚持健身还是涮个火锅?每天,人们都会面临上百种选择。以往,人们认为这种选择理所当然。

然而,美国斯坦福大学生物系教授陈晓科与中科院深圳先进技术研究院脑所研究员朱英杰日前合作发现,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),该脑区能在不同环境和生理状态下评估事件重要性,从而帮助人们作出恰当选择。

此前,国际科学界普遍认为PVT调控焦虑、恐惧、抑郁等负性情绪,朱英杰等的这一发现,通过实验论证,颠覆性提出PVT动态编码事件重要性的概念,该成果于10月26日发表于《科学》杂志。

“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。”美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka向《中国科学报》记者评价道。

掌管大脑“抉择”的关键脑区

人们每时每刻都会接受海量信息的轰炸,你为何会从中抽提出对你最重要的信息,并据此作出恰当反应?

“这是大脑信息处理面临的一个基本问题。”论文第一作者朱英杰表示。此前,他曾在《自然》杂志上发表另一项研究成果,首次发现大脑中存在可以用于戒除毒瘾的全新神经通路。此次《科学》发表的工作正是针对同一脑区的再次突破,全面研究PVT的基础生理功能。

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编码外界信息的重要性(即生物学显著性)。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动态变化,从而控制学习能力。

“判断信息重要性是一个高级的大脑功能,它能帮助人们更好适应多变的环境,也控制着人们的注意力和学习能力。这一发现为未来研究如何提高大脑的认知和学习能力奠定了基础,对普通人群和脑病患者的认知与治疗均具有突破性意义。”朱英杰表示。

科研人员通过小鼠嗅觉巴浦洛夫条件性学习实验,将不同气味刺激跟奖赏(水)或惩罚(吹气或电击)偶联,发现PVT神经元会被重要事件激活,无论奖惩。

有趣的是,如果在小鼠面前反复呈现不喜不厌的中性气味却没有伴随任何后果,PVT反应会逐渐消失;当该气味与奖惩偶联时,PVT又能被激活。此外,PVT被激活的幅度也能反映奖惩的刺激强度。

“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。

抑制PVT或可延缓“七年之痒”

朱英杰等进一步发现,外界刺激的重要性不仅取决于刺激本身的物理特征,也与动物内在生理状态和外部环境有关。

例如,当饥肠辘辘时,鼠“以食为天”;当它酒足饭饱后,食物的诱惑性就要大打折扣。再来看外部环境,即使在饥饿的小鼠前放一块诱人的奶酪,但若有只猫在食物旁张牙舞爪,小鼠也会压制食欲先去逃命。

他们通过光纤成像记录和单细胞电生理记录技术从不同角度反复验证发现,PVT神经元活动能根据内外环境,动态反映动物对重要性的判断。

同样是用于奖赏的水,口渴的小鼠PVT反应更大。当小鼠处于较弱惩罚时,水能诱发较大反应;若切换到较强惩罚环境,水只能激发较小反应。这说明PVT活动能反映奖惩的相对重要性。

此外,他们也发现了PVT脑区对于预期奖励落空存在动态评估机制。如果每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪,但有一天奶酪突然没了,小鼠的“失落感”也会激活PVT。

然而,动物也具有消退学习能力,即它如果习惯了没奶酪,就会逐渐停止该行为。就好像夫妻的“七年之痒”,如果一直习惯对方的存在,PVT反应也会趋于平淡。一旦有外界刺激,又可能重新激活初恋时的“心跳感”。不过科研人员也发现,抑制PVT活动,小鼠消退学习过程会变慢,那是不是说,我们也有可能减缓“七年之痒”的速度呢?

有望用于类脑人工智能

在活体动物身上进行多通道电生理记录技术,对朱英杰来说是头一遭。小鼠运动使得电噪音过大,让他不得不花一两个月到其他实验室取经。

而且,由于他们最开始采用的是光纤记录技术,无法达到单细胞分辨率,因此又额外花了半年,用分辨率更高的电生理记录技术再次验证该现象。但也正是这些努力,使得实验设计更为精巧,工作更具系统性。

“朱英杰等人报道了一系列非常漂亮的实验,这些卓越并且激动人心的实验结果证明了PVT在编码显著性和控制联想学习效果上的重要作用。在这篇优秀的论文中,实验设计得非常优雅,结果和展示都非常清楚。让读者在对这一神秘脑区功能的理解上迈出了重要的一步。”审稿人对文章作出一致高度评价。

近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。朱英杰等的工作正是对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的学习能力。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,表明PVT活动对学习能力的重要性。

“未来我们将进一步研究,可否通过增强PVT活动提高人们的注意力、增强学习能力,这将为转化应用打开一扇窗口。”朱英杰表示。

此外,研究大脑如何动态评估外界信息重要性的内在机制,也将为未来发展类脑智能,增强脑机融合,推动人工智能技术的跨越发展带来启发。