Science|我们的好奇心到底从何而来?

2021
05/18

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好奇心、饥饿和食欲驱动着三种不同的目标行为:寻求新奇、进食和狩猎。

习近平主席曾说过:“好奇心是人的天性,对科学兴趣的引导和培养要从娃娃抓起……”。古往今来,许多成就斐然的科学家,他们的事业往往萌生于青少年时的兴趣,沿着兴趣的指引走下去,最终开拓出成功的路径。面对充满未知的世界,哪个孩子不是天生的“十万个为什么”?谁的少年时期没有对大自然的奥秘讶异和着迷过?好奇心是人类探索未知的原动力,是孩子进入科学世界的敲门砖、金钥匙,是培养未来科学家的起点。

好奇心、饥饿和食欲驱动着三种不同的目标行为:寻求新奇、进食和狩猎。在动物中,这些行为由相似的动作组成。动作的相似性使得研究无表达能力动物,区分其与进食和狩猎的区别,出现了挑战性。而好奇心与饥饿一样,对于生存至关重要。但是一直以来,我们对于好奇,以及寻求新奇行为的大脑机制还并不清楚。

尽管有发达的技术来研究小鼠的大脑回路,但在动机行为领域仍有许多有争议的不同结果。这使得诸如未定区(zona incerta, ZI)之类的动机性脑区的功能仍不确定。

在一项新的研究中,来自荷兰神经科学研究所的研究人员选择了一个简单的解决方案来开展研究:让小鼠自由选择它想要的东西--双向自由获取选择(FADC)。通过使用光遗传学、化学遗传学、钙纤维光度计、多通道记录电生理学和多色mRNA原位杂交对小鼠进行一系列物体FADC和社会互动测试的实验,这些作者发现了一种针对好奇心和新奇寻求行为的细胞类型特异性皮层-皮层下脑回路(cell type–specific cortico-subcortical brain circuit)。相关研究结果发表在2021年5月14日的Science期刊上。

26331621332103089图片来源:Science官网

这些作者分析了物体FADC和社会互动测试中动作序列的转换。频率和隐性马尔可夫模型分析表明,相比于与熟悉的物体互动或与同种动物互动的后期相比,小鼠在与新的物体互动中以及与新的同种动物互动的早期,选择不同的动作序列,他们将其分别归为浅度调查(shallow investigation)和深度调查(deep investigation)。这一发现帮助他们定义了一个衡量调查深度的标准,表明小鼠对深度调查的偏爱程度,并反映了小鼠调查的动机水平。

与熟悉的物体、蟋蟀和食物相比,内侧ZI(ZIm;ZI:Zona Incerta功能不明的脑区)中的抑制性神经元,即ZImGAD2神经元的光遗传激活显著增加了积极的唤醒水平、调查深度和互动时间。通过光遗传学或化学遗传学让这些神经元失活降低了调查的深度和持续时间。此外,他们发现ZImGAD2神经元在深度调查期间比在浅度调查期间更活跃。

这些作者发现,激活进入ZIm的前边缘皮层(PL)轴突会增加唤醒水平,而这些轴突的化学遗传学失活会减少调查的持续时间和深度。这些轴突的钙纤维光度计显示,浅度调查和深度调查之间的活动没有差异,这表明是一种非特异性的动机。

光遗传学激活进入侧中脑导水管周围灰质(lPAG)的ZImGAD2轴突增加了唤醒水平,而这些轴突的化学遗传学失活减少了调查的持续时间和深度。这些轴突的钙纤维光度计显示在深度调查时有高的活动,而在浅度调查时没有明显的活动,这表明有一个阈值机制。

90241621332103329驱动和控制好奇心的大脑机制,图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe9681。

研究人员在ZIm中发现了一个新的表达速激肽1 (TAC1)的抑制性神经元亚群,该亚群单突触地接受PL输入并投射到lPAG。这些神经元的光遗传学激活和失活分别增加和减少了调查的深度和持续时间。

综上所述,这些实验揭示了基于新奇寻求的动机水平的不同行动序列。此外,研究人员发现了一个新的大脑回路,该回路涉及好奇心和新奇寻求行为,并通过ZIm的TAC1+抑制性神经元将PL的兴奋性神经元连接到lPAG。

荷兰神经科学研究所小组组长Alexander Heimel说:“我们对人类的这一领域仍然知之甚少,因为它位于大脑深处,很难通过脑部扫描来测量活动。而新技术的发展可能会在将来带来更多的新见解。”

参考资料: Mehran Ahmadlou et al. A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe9681. Zahra Z. Farahbakhsh et al. Neurobiology of novelty seeking. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi7270.

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关键词:
好奇心,神经元,抑制性,调查,轴突,小鼠,物体,皮层

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