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？
現在，中國科學(xué)家已發(fā)現大腦中動(dòng)態(tài)評估選擇這些信息的重要機制，大腦首先要對與選擇相關(guān)信息的重要程度進(jìn)行評估，再通過(guò)“計算”做出選擇。近期發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志上的這一重要發(fā)現，由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認知與腦疾病研究所研究員朱英杰與美國斯坦福大學(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，大腦存在一個(gè)動(dòng)態(tài)評估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區——丘腦室旁核（PVT），該腦區能夠在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評估事件的重要性從而幫助我們做出恰當選擇。他們利用光遺傳學(xué)技術(shù)結合電生理和光纖記錄技術(shù)，首次發(fā)現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(zhù)性）進(jìn)行編碼，這些位于大腦中部PVT腦區的神經(jīng)元活動(dòng)能夠反映外界刺激的重要性，并且隨內在生理狀態(tài)和外部環(huán)境而動(dòng)態(tài)地變化，從而控制學(xué)習能力。
朱英杰告訴科技日報記者，判斷信息的重要性是大腦的一個(gè)高級功能，它能夠幫助人們更好地適應多變的環(huán)境，也控制著(zhù)人們的注意力和學(xué)習能力。這一發(fā)現為人們未來(lái)研究如何提高大腦的認知和學(xué)習能力奠定了重要基礎，對普通人群和腦疾病患者的認知與治療均具有突破性意義。
大腦中存在評估信息重要性的腦區
當今社會(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你最重要的信息，并據此做出恰當反應？
“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，國際科學(xué)界普遍認為PVT調控負性情緒，朱英杰等針對同一腦區全面研究其基礎生理功能，通過(guò)實(shí)驗論證提出PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念。
“這項重要研究拓展了我們對丘腦功能的認識，發(fā)現了影響學(xué)習和記憶的重要神經(jīng)機制。該工作將引起腦認知和腦疾病研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區的功能。”美國斯坦福大學(xué)終身教授羅伯特·馬倫卡評價(jià)道。
科研人員首先訓練小鼠進(jìn)行嗅覺(jué)巴浦洛夫條件性學(xué)習，將不同的氣味刺激跟獎賞（水）或者懲罰（吹氣或電擊）偶聯(lián)起來(lái)，發(fā)現位于大腦中部的PVT神經(jīng)元能夠被重要的事件所激活，無(wú)論是獎賞還是懲罰性刺激都能激活PVT。
聯(lián)合團隊發(fā)現小鼠對氣味的反應也很有意思。他們首次為小鼠呈現了不喜不厭的中性氣味，如果是第一次呈現該氣味，則能夠激活PVT；但是如果該氣味反復出現并且沒(méi)有伴隨任何后果時(shí)，PVT反應逐漸消失；當該氣味與獎賞或懲罰偶聯(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度。兩滴水的獎賞比一滴水的獎賞能夠更好地激活PVT，強烈的懲罰（電擊）比微弱的懲罰（吹氣）能夠誘發(fā)更大的PVT反應。
“這是科學(xué)家第一次發(fā)現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)》雜志審稿人評價(jià)道，朱英杰等人的實(shí)驗，證明了PVT在編碼顯著(zhù)性和控制聯(lián)想學(xué)習效果上的重要作用。論文中的實(shí)驗設計得非常巧妙，結果和展示都非常清楚，從而在對這一神秘腦區功能的理解上邁出了重要一步。
人為干預可能讓你緩入“七年之癢”
在發(fā)現了大腦中存在對信息重要性評估的腦區的基礎上，朱英杰與團隊又進(jìn)一步思考，應該如何深挖這種響應機制，會(huì )具有怎樣的意義。
當小老鼠饑腸轆轆時(shí)，食物對它來(lái)說(shuō)就是非常重要的資源；但是當它酒足飯飽之后，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(zhù)事件的重要性，即使小鼠饑腸轆轆，食物就在眼前，但如果有只貓在食物旁邊，這時(shí)貓的顯著(zhù)性（重要性）就要大于食物，小鼠就會(huì )壓制對食物的沖動(dòng)首先躲避貓。
他們通過(guò)光纖成像記錄技術(shù)和單細胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復驗證發(fā)現，PVT神經(jīng)元的活動(dòng)能夠根據動(dòng)物內在生理狀態(tài)和外部環(huán)境，動(dòng)態(tài)反映動(dòng)物對重要性的判斷。
同樣是用于獎賞的水，該信息能夠在口渴的小鼠上誘發(fā)更大的PVT反應。當小鼠處于較弱的懲罰（吹氣）環(huán)境時(shí)，水的獎賞信息能夠誘發(fā)很大的PVT反應；但是如果切換到較強的懲罰（電擊）環(huán)境中，同樣是水的獎賞信息，只能激發(fā)較小的PVT反應。這說(shuō)明PVT的活動(dòng)能夠反映獎賞的相對重要性（顯著(zhù)性）。
此外，他們也在研究中發(fā)現了PVT腦區對于預期獎勵落空存在動(dòng)態(tài)評估機制。也就是說(shuō)，當每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現一塊奶酪時(shí)，它已經(jīng)習慣了這種獎賞。但是，有一天當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)習能力，即它如果習慣了冰箱前沒(méi)有奶酪，就會(huì )逐漸習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”，如果一直習慣了對方的存在，PVT反應也會(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，如果他們抑制小鼠的PVT活動(dòng)，其消退學(xué)習的過(guò)程則會(huì )變得更慢。針對上述例子，人為干預也可能會(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)習能力打開(kāi)一扇窗
以前，國際科學(xué)界對PVT的研究多是與人們的焦慮、恐懼、抑郁等負面情感有關(guān)，他們通過(guò)實(shí)驗論證，顛覆性地提出了PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念。
對信息重要性的評估有助于將注意力集中于重要事件，從而提高對該事件的學(xué)習能力。他們利用光遺傳學(xué)神經(jīng)調控發(fā)現，PVT控制著(zhù)小鼠學(xué)習的速率和效果。在嗅覺(jué)巴浦洛夫條件性學(xué)習中，小鼠能夠學(xué)會(huì )氣味跟水獎勵的偶聯(lián)，表現為預期性的舔水。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)習的速率和效果都大大受損。這說(shuō)明，PVT的活動(dòng)對于學(xué)習能力是非常重要的。
近年來(lái)，腦科學(xué)研究正在從傳統的“讀腦”向“控腦”轉換。朱英杰等人的研究工作正是對PVT腦區的“讀”與“控”。通過(guò)調控PVT腦區的神經(jīng)活動(dòng)，他們發(fā)現該腦區神經(jīng)元活性控制著(zhù)小鼠學(xué)習能力。當利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制PVT活動(dòng)后，偶聯(lián)性學(xué)習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PVT活動(dòng)來(lái)提高人們的注意力、增強人們的學(xué)習能力，這將為轉化應用打開(kāi)一扇窗口。”朱英杰表示。此外，該大腦機制的研究發(fā)現也可能會(huì )為未來(lái)類(lèi)腦智能與人工智能技術(shù)的結合提供新的研究思路。
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