中美學者《科學》雜誌發文解析：大腦如何做出選擇？

　　2018年10月26日 09:52

　　來源：科學大院

　　統計顯示，人類大腦每天會做10萬個決定， 大到讀什麼專業、找什麼工作、和什麼樣的人談戀愛，小到今晚是看電視還是讀書、周末在家睡覺還是去健身房鍛煉，我們無時無刻不在做選擇。

　　在不斷的選擇后，我們走出了不一樣的人生道路。

　　

　　（圖片來源：視覺中國）

　　選擇對我們的生活有多重要，不言而喻。

　　那我們是如何做出這些選擇的呢？

　　大腦首先要對與選擇相關的信息的重要程度進行評估，再「計算」出選擇。

　　近日，科研人員發現了大腦中動態評估這些信息的重要機制。10月26日，該研究發表於美國《科學》雜誌，這一發現未來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，開啟腦科學研究的又一重要領域。  

　　該成果是由中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱「中科院深圳先進院」）腦認知與腦疾病研究所研究員朱英傑與美國斯坦福大學生物系教授陳曉科合作發現的。中科院深圳先進院朱英傑是該論文的第一作者，陳曉科是論文通訊作者。

　　

　　研究成果以長文形式發表於美國《科學》雜誌

　　這條信息重要不重要？大腦中這個區域說了算！

　　我們每時每刻都會接受大量信息的轟炸，為什麼你能從海量信息中抽提出對你最重要的信息，並據此做出合適反應？

　　大腦中應該存在一個這樣的區域，可以對信息的重要性進行動態評估。

　　科研人員的第一個發現，就是大腦中部的丘腦室旁核（PVT）是動態評估信息重要性的關鍵腦區。

　　

　　大腦中部的丘腦室旁核（PVT）

　　利用光遺傳學技術結合電生理和光纖記錄技術，科研人員找到了大腦中動態評估外界信息重要性的機制，並發現，當事件的重要性隨動物內在生理狀態和外部環境變化時，PVT的活動能夠追蹤這種變化，從而控制著學習的速率和效果。

　　那科研人員是如何發現這個腦區和這一機制的呢？

　　他們首先訓練小鼠進行嗅覺巴浦洛夫條件性學習，將不同的氣味刺激跟獎賞（水）或者懲罰（吹氣或電擊）聯繫起來，發現大腦中部的丘腦室旁核（PVT）神經元能夠被重要的事件所激活，而且獎賞和懲罰都能激活PVT神經元。

　　在實驗中，科學家先為小鼠呈現它們不喜歡也不討厭的中性氣味。

　　結果發現，當第一次呈現中性氣味時，PVT能夠被激活；當氣味反覆出現並且沒有伴隨任何獎賞或懲罰時，PVT反應逐漸消失；如果把氣味與獎賞或懲罰偶聯起來，那麼PVT又能被激活。

　　

　　PVT 編碼了刺激的顯著性。 A：嗅覺巴甫洛夫條件性學習實驗範式； B： 小鼠行為； C：光纖記錄顯示無論獎賞還是懲罰都能激活PVT； D：電生理記錄顯示單個PVT神經元能夠被獎賞和懲罰所激活，從而編碼了刺激的顯著性。（圖片來源：論文）

　　此外，PVT被激活的幅度也能夠反映刺激的強度。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）能夠誘發更大的PVT反應。

　　「這是科學家第一次發現在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經元。」論文通訊作者陳曉科表示。

　　誰能改變選擇？生理和環境

　　在發現了大腦中存在對信息重要性評估的腦區的基礎上，朱英傑與團隊又進一步思考，應該如何深挖這種響應機制，它會具有怎樣的意義呢。

　　朱英傑與團隊想到，可以通過改變內在生理狀態和外部環境，來進一步研究這一機制在面對內、外在環境變化后的動態響應！

　　不同的人在面臨同樣的信息時，對信息重要性的判斷不盡相同；即使是同一個人，在不同的環境中面臨同樣的信息時，對信息重要性的判斷也不是完全一樣的，甚至差別巨大。

　　這些差別都能在PVT反應中體現嗎？

　　這一次，實驗對象依然是小鼠。

　　小鼠的生理狀態影響著刺激的重要性。例如，當小老鼠飢腸轆轆時，食物對它來說就是非常重要的資源；但是當它酒足飯飽之後，食物的重要性就要大打折扣。

　　而且，外部環境的變化也影響著事件的重要性。例如，即使小鼠飢腸轆轆，食物就在眼前，但如果有隻貓在食物旁邊，這時貓的重要性（顯著性）就要大於食物，小鼠就會壓制對食物的衝動首先躲避貓。

　　藉助光纖成像記錄技術和單細胞電生理記錄技術，科研人員從不同角度設計實驗發現，同樣是用於獎賞的水，在又餓又渴的小鼠身上能夠誘發更大的PVT反應。當小鼠處於較弱懲罰（吹氣）的環境中，水的獎賞信息能夠誘發很大的PVT反應；但是如果切換到較強的懲罰（電擊）環境中，同樣是水的獎賞信息，只能激發較小的PVT反應。

　　

　　同樣是用於獎賞的水，在又餓又渴的小鼠上，能夠誘發更大的PVT反應

　　這說明動物內在生理狀態和外部環境變化都能影響PVT對獎賞信息的反應，PVT神經元的活動程度確實體現了動物對信息重要性的不同判斷！

　　也就是說，PVT神經元的活動狀態可以動態反映對信息重要性的判斷。

　　要知道，人們每時每刻面對選擇時，進行抉擇的依據就是對信息重要性的判斷。

　　而現在科學家發現，通過改變內在生理狀態和外部環境是可以改變這種「選擇」的。這一研究將幫助科學家分析那些影響人們做選擇的因素，有望使我們做出更好的選擇。

　　抑制PVT腦區 結果會怎樣？

　　此外，科研人員也在研究中發現了PVT腦區對於預期獎勵落空的動態評估機制。設想一個場景，每天小鼠到冰箱前都能發現一塊乳酪，一段時間后它會習慣了這種獎賞。但是，有一天當小鼠去到冰箱前卻沒有看到乳酪，它的「心理失落感」就會激活PVT。然而，由於動物具有消退學習能力，它如果習慣了冰箱前沒有出現乳酪，就會逐漸習慣於這種失落感而停止再去冰箱尋找乳酪。就好比具有「七年之癢」的夫妻，如果一直習慣了對方的存在，在見到對方時很可能不會產生高PVT反應，這時，夫妻就可能變成了「家人」。但如果一旦有外界環境的刺激，又可能會重新激活雙方相愛時的「心跳感」。

　　不過，科研人員也發現，如果人為抑制小鼠PVT的活性，小鼠將減緩失落感，其消退學習的過程則會變得更慢。用上一個例子來講，就是夫妻雙方會一直保持對雙方的心動感，感情消退的過程會更慢。

　　更值得一提的是，科研人員發現通過調控腦區，也可以影響小鼠的學習能力。未來科研人員將重點在該方向開展研究。

　　未來：小鼠——人類——人工智慧

　　研究人員為什麼會把研究方向從聚焦到少有人研究的PVT腦區呢？這是建立在他以前的另一項重要的研究基礎之上的，詳情請戳《毒癮在腦中瘋狂飆車，你讓我靠意志力停車？安一個剎車也許有救》。

　　最初，朱英傑發現出現戒斷癥狀的小白鼠，腦中有一條神經通路似乎被激活了，這條通路是從丘腦室旁核（PVT）傳到伏隔核（NAc）的谷氨酸能神經通路。根據以前科學界對丘腦室旁核（PVT）的研究，這個區域跟人們的焦慮、恐懼、抑鬱等負面情感有關係，那麼PVT腦區是否與其他行為相關聯呢？

　　他用了兩年半的時間開展多層次實驗論證，顛覆性地提出了PVT動態編碼事件重要性的概念，還提出了該腦區能控制學習能力的觀點。

　

　然而，得出這些重要結論的實驗並非一帆風順，比如，在活動的動物上進行多通道電生理記錄技術，對於朱英傑來說，就是頭一遭。

　　2016年實驗最開始時，他遇到了很多技術上的困難，比方說小鼠運動時帶來的電噪音太大。因此他不得不跑到其他實驗室虛心求教，自己製作電極、進行電鍍、調整參考電極和地線，花了一兩個月的時間才解決這個技術難題。

　　

　　科研人員搭建的實驗裝置

　　而且，由於他們最開始選擇的是光纖記錄技術，雖然也能看到類似的現象，但該技術無法達到單細胞解析度，不夠細緻，因此他們又額外花了半年時間，用解析度更高的電生理記錄技術再次驗證了這一現象。

　　這些工作和嚴謹的科研精神都得到了回報。這篇文章在science的投稿過程非常順利，審稿人對這篇論文一致做出高度評價。

　　一位審稿人表示：「朱英傑等人報道了一系列非常漂亮的實驗，這些卓越並且激動人心的實驗結果證明了PVT在『顯著性（重要性）』控制聯想學習效果上的重要作用。這篇優秀的論文中，實驗設計得非常優雅，結果和展示都非常清楚。讓讀者在對這一神秘腦區功能的理解上邁出了重要的一步。」

　　朱英傑表示，「判斷信息的重要性是一個高級的大腦功能，它能夠幫助人們更好地適應多變的環境，也控制著人們的注意力和學習能力。這一發現為人們未來研究如何提高大腦的認知和學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。」

　　而在大數據時代，如何從海量信息中尋找重要的有效信息？在一萬張人臉中，如何通過一個生物學特徵快速準確識別出你想要找的那個人？需要尋找到其背後的生物學原理。因此，通過研究大腦如何動態評估外界信息重要性、生物學顯著性的內在機制，對於未來發展類腦智能、增強腦機融合，推動人工智慧技術的跨越發展具有重要意義。