Science:揭示目标导向行为背后的神经元机制

2022
01/13

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生物谷
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我们的行动是由我们想要实现的目标所激发的。然而,人们对我们大脑中使我们能够做出正确的决定来实现我们的目标的机制知之甚少。

我们的行动是由我们想要实现的目标所激发的。然而,人们对我们大脑中使我们能够做出正确的决定来实现我们的目标的机制知之甚少。在一项新的研究中,来自瑞士弗雷德里希-米歇尔生物医学研究所和巴塞尔大学的研究人员如今确定了当小鼠为获得奖励而采取某种行为时在小鼠大脑中发生的事件序列,以及当奖励不是预期的奖励时,它如何调整其行为。相关研究结果发表在2022年1月7日的Science期刊上,论文标题为“A neuronal mechanism for motivational control of behavior”。论文通讯作者为弗雷德里希-米歇尔生物医学研究所的Andreas Lüthi博士。
想象一下,你每天去一家面包店只是为了买一种特定的面包。然后你发现,你最喜欢的面包将不再在那里出售。你就会停止去那家面包店。这就是所谓的目标导向行为(goal-directed behavior),而杏仁核---大脑中杏仁状的情绪处理中心---已知参与了控制这一过程。

非线索目标导向行为的神经元机制。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7277。
到目前为止,杏仁核在线索导向行为(cue-directed behavior)中的作用已经小鼠身上进行了调查。线索导向行为指的是当视觉或听觉线索(如声音)是某种事情将要发生的信号(如小鼠将收到一些糖)时让小鼠以某种方式行事(如它将去笼子里收到糖的地方)。然而,杏仁核如何参与目标导向行为---当小鼠在没有提示的情况下按照自己的节奏做某事以实现目标---一直不清楚。
在这项新的研究中,Lüthi团队的博士后研究员Julien Courtin对小鼠进行了目标导向任务的训练。在几天的时间里,这些小鼠了解到当它们推动一个杠杆时,它们会得到一滴蔗糖,而当它们推动另一个杠杆时,它们会得到一滴牛奶。一旦它们成为执行这些任务的专家,Courtin调整了实验设置:他在不让它们按下杠杆的情况下给它们奖励;或者让它们按下杠杆,但没有奖励;或者他允许它们选择其中一种奖励来吃。在这些小鼠所做的所有这些不同的动作中,Courtin记录了它们的杏仁核中的大脑活动,并与Lüthi实验室的计算神经科学家Yael Bitterman一起,开发了新的分析方法来破译背后的神经元密码。
预测机器
Courtin和Bitterman确定了杏仁核中参与这种目标导向行为各个方面的不同的神经元群体。比如,他们发现,当小鼠按下杠杆1以期待奖励1时,某一组神经元是活跃的。但是一旦杠杆1不再与这种奖励相关联,这组神经元就失去了活性。Courtin说,“这群神经元不活跃不是因为小鼠按了杠杆,而是因为杠杆与奖励的期望有关。当小鼠学会不再期待奖励时,这个神经元群体就不再活跃了。”
最值得注意的是,这些研究结果表明,不仅奖励的类型、它的大小和它发生的可能性而且它的价值---一个灵活的参数,取决于许多因素(例如,小鼠有多饿)---都在杏仁核中得到体现。杏仁核将所有这些信息传递给其他大脑区域,然后这些区域利用这些信息做出适当的决定,并根据可能的奖励来调整行为。
Lüthi解释说,“仅仅通过观察杏仁核,Courtin和Bitterman就能够获得小鼠所期望的奖励的详细图景,以及它需要做什么来获得奖励。杏仁核进行预测---如果这样做,就会得到那个,而且它正在根据变化来调整这些预测。没有其他大脑结构能够如此精确地预测将要发生的事情。”
对人类的影响
这些发现很容易与人类行为相关。每天,我们在执行数百个动作时,心中都有一定的期望。如果预期没有得到满足,我们就会调整我们的行为---我们以不同的方式做一些事情,或者我们更少或更频繁地做这些事情。这项研究在小鼠身上强调的杏仁核中的神经元机制也是我们这些行为的基础。
能够根据预测来调整我们的行为对我们人类来说是至关重要的,但有时这些过程会受到负面影响,例如在成瘾、 抑郁症 、强迫症(OCD)或帕金森病中。Courtin说,“在这样的情况下,我们所阐明的大脑中的行为序列可能无法受到正常调节。这可能成为开展临床研究的一个途径,所面临的挑战在于当一个过程在如此短的时间内发生时,我们如何能够干预这个在大脑中出错的过程?”
参考资料:
Julien Courtin et al. A neuronal mechanism for motivational control of behavior. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7277.
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关键词:
奖励,行为,小鼠

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