关于多巴胺和蘑菇体环路调控果蝇基于价值的抉择的研究
作者: 心理学 / 5374次阅读 时间: 2011年4月04日
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+p$i rtS#n0国际权威学术期刊《科学》(2007年6月29日) 以报告形式,发表了郭爱克院士领导的关于多巴胺和蘑菇体环路调控果蝇基于价值的抉择的研究成果。心理学空间R'\Mo&F ~ DA ~

#kI.eb;B]/^!Y0抉择是一个极其复杂的脑过程。抉择是指当一个生物体面对一系列分歧的可选方案时,出于愿望或是最佳的考虑,做出相应的行动,以便获得或避免一定的结果。抉择是一种生存能力,所有那些具有复杂神经系统的有机体都不时地面临生存竞争压力所提出的问题:“下一步我该做什么?我该怎么办?”。为什么人们经常会作出正确的抉择,而有时的抉择会失去“理智”或不合“情理”?这些极为有趣的科学问题吸引了越来越多的科学家的加入。“价值”的概念是人类和动物抉择理论的基石。以价值来衡量事物传统上是经济学的思维。当今在神经科学领域中,一个新的研究方向“神经经济学” (Neuroeconomics)正应运而生,它旨在研究抉择的神经基础。近年来,尽管脑与认知科学在探索人类或高等动物抉择方面已取得可喜的进展,但是抉择的环路机制及神经计算原理仍是一个挑战性课题。一般地讲,探索抉择的脑机制应回答“三问”。一问是,抉择在哪里进行?有没有所谓的“主管抉择的神经元?”或“抉择脑结构”充当“首席执行官”,统领全部的抉择过程?二问是,抉择过程中,当前的感觉信息输入如何与先前的经验和而后的期望相结合起来?三问是,脑怎样从多种可能性中选出恰当的一种,然后加以执行,它的脑动力学过程是怎样的?

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   人称果蝇是生命科学的“万能钥匙”。将果蝇作为研究两难抉择的模式动物,在国际上郭爱克实验室却是第一家。6年前,郭爱克和唐世明合作开创了果蝇的两难抉择研究,不仅证明了果蝇具有面对两难局面的简单“趋利避害”的抉择能力,还初步证明了果蝇脑中蘑菇体结构参与这一过程。为理解脑的这一智能抉择行为提供了更为简约的模型生物和新的抉择范式,也表明基于脑内“价值系统”的抉择行为,并非人类或非人灵长类的“专利”。

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"Rlfh"A0六年来的实验研究和理论思考聚焦在神经环路机制上,从较微观的分子和细胞层次,到神经回路层次。特别是果蝇脑的多巴胺系统和蘑菇体结构。这是为什么?

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\P b/n"t d)@0已知脑内多巴胺是关键的神经递质和调质,是多种认知功能和精神活动的有力调节者。多巴胺在人们如何面对和评价周围世界的人物和事件、行为导向、人格、抉择、药物成瘾、金钱、奖励依赖的学习等方面起着决定性作用。它对于生存、生殖和利益竞争具有核心的重要性,是脑内进行价值评估、衡量利弊的“神经货币”。心理学空间~%zVzq&rY

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   为什么果蝇的蘑菇体对抉择这样重要?近20年来,人们一直相信它是嗅觉记忆中枢。但是,郭爱克实验室的许多研究证明它负责更为复杂的信息处理。我们知道,组成脑的神经元和胶质细胞本身是没有“好恶”之类的感受的,从环路层次来理解抉择就是具有挑战性的课题。多巴胺响应是一种即时的传递奖励误差的快信号,它来不及对具体的奖励事件作更为精细的分析,因此需要附加的奖励信息处理机制或结构。多巴胺信号作为奖励预警信号和教师信号,快速地将奖励可能发生的消息“通知”或“广播”给特定的脑结构,而奖励的精确性质则由相应的靶系统加工。

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(muj.B4`$~o B8Q0   我们采用增强子陷阱和上游激活序列(GAL4/UAS)的二元表达系统,在特定的时间阻断蘑菇体和多巴胺神经元的突触递质释放。当相互矛盾的两种线索信息的相对差别很大时,上述的转基因果蝇还是有能力做出明确选择,而当差别较小时,选择就变得徘徊不定。我们的免疫组化的研究结果显示,多巴胺的纤维深入到蘑菇体中,蘑菇体和多巴胺两个系统的解剖学联系紧密。心理学空间P;jSq:_1Y!{Ghq

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   张柯等的这篇新的抉择论文的主要科学结论为:(1)果蝇中央脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控果蝇的基于价值的抉择,没有二者共同参与的抉择是简单的“犹豫不决”的线性抉择过程,而二者的协同运作才使两难抉择成为“当机立断”的“胜者独享”的非线性抉择;(2)果蝇有能力完成系列的抉择任务,即在面对新的抉择任务时,果蝇能放弃在应对前一个抉择任务时所做的选择,转而做出新的选择。体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的统一;(3)在面对新的抉择任务时,需要蘑菇体结构和多巴胺系统重新快速参与,而一旦进入执行阶段,就不需要它们了。最后,也是最重要的,果蝇脑中的蘑菇体可能起到类似的“门控”作用,它和多巴胺系统共同实现抉择过程中的“门控”、“聚焦”和“放大”机制,从而导致非线性的陡峭的“S” 形曲线。

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   这些实验发现对于理解抉择的脑机制有重要意义吗? 这样的研究会有助于我们对自身的大脑的工作原理的认识吗? 如果将蘑菇体—多巴胺系统微回路,与人脑中脑的腹盖区多巴胺系统与主司抉择的前额叶之间的神经投射相比照,有可能提出抉择过程的简化脑模型。有助于回答抉择的神经环路原理在进化上是否有保守性?在神经科学领域中,另一个新的研究方向“认知分子遗传学”值得关注。有研究表明遗传因素对认知和智能的发育有重要作用。我们期待,果蝇小型化的脑在它的小型认知世界里的简约的抉择行为或许可能提供更多的关于决策的神经环路和基因方面的信息,可能会有助于理解某些认知和精神活动的基本原理。心理学空间GO YVR#_o V;u

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