大腦如何對(duì)令人驚訝的事件做出反應(yīng)

根據(jù)麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究，當(dāng)你的大腦需要你關(guān)注一些重要的事情時(shí)，它可以做到的一種方法是發(fā)出一陣去甲腎上腺素。

這種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑由大腦深處稱為發(fā)芽孢子的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，可以在整個(gè)大腦中產(chǎn)生廣泛的影響。在一項(xiàng)針對(duì)小鼠的研究中，麻省理工學(xué)院的研究小組發(fā)現(xiàn)，去甲腎上腺素(也稱為去甲腎上腺素)的一個(gè)關(guān)鍵作用是幫助大腦從令人驚訝的結(jié)果中學(xué)習(xí)。

“這項(xiàng)工作表明，coeruleus位點(diǎn)編碼意外事件，關(guān)注這些令人驚訝的事件對(duì)于大腦評(píng)估其環(huán)境至關(guān)重要，”麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系牛頓神經(jīng)科學(xué)教授Mriganka Sur說，他是麻省理工學(xué)院Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所的成員。 西蒙斯社會(huì)大腦中心主任。

除了在發(fā)出驚訝信號(hào)方面的作用外，研究人員還發(fā)現(xiàn)去甲腎上腺素有助于刺激導(dǎo)致獎(jiǎng)勵(lì)的行為，特別是在不確定是否會(huì)提供獎(jiǎng)勵(lì)的情況下。

蘇爾是這項(xiàng)新研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在《自然》雜志上。文森特·布列塔尼-普羅文徹(Vincent Breton-Provencher)是前麻省理工學(xué)院博士后，現(xiàn)在是拉瓦爾大學(xué)的助理教授，而麻省理工學(xué)院的研究生加布里埃爾·德拉蒙德是該論文的主要作者。

調(diào)制行為

去甲腎上腺素是影響大腦的幾種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑之一，還有多巴胺、血清素和乙酰膽堿。與能夠進(jìn)行細(xì)胞間通訊的神經(jīng)遞質(zhì)不同，神經(jīng)調(diào)節(jié)劑被釋放到大腦的大片區(qū)域，使它們能夠發(fā)揮更普遍的效果。

“神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)被認(rèn)為可以灌注大腦的大面積區(qū)域，從而改變神經(jīng)元以更點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式接收的興奮性或抑制性驅(qū)動(dòng)，”Sur說。“這表明它們必須具有非常關(guān)鍵的全腦功能，這些功能對(duì)生存和大腦狀態(tài)調(diào)節(jié)很重要。

雖然科學(xué)家們已經(jīng)了解了很多關(guān)于多巴胺在動(dòng)機(jī)和獎(jiǎng)勵(lì)追求中的作用，但對(duì)其他神經(jīng)調(diào)節(jié)劑(包括去甲腎上腺素)知之甚少。它與喚醒和提高警覺性有關(guān)，但過多的去甲腎上腺素會(huì)導(dǎo)致焦慮。

以前對(duì)大腦去甲腎上腺素的主要來源coeruleus位點(diǎn)的研究表明，它接收來自大腦許多部位的輸入，并且還發(fā)送其信號(hào)。在這項(xiàng)新研究中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開始研究其在特定類型的學(xué)習(xí)中的作用，稱為強(qiáng)化學(xué)習(xí)，或通過反復(fù)試驗(yàn)學(xué)習(xí)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員訓(xùn)練小鼠在聽到高頻音調(diào)時(shí)按下杠桿，但當(dāng)它們聽到低頻音調(diào)時(shí)則不會(huì)。當(dāng)小鼠對(duì)高頻音調(diào)做出正確反應(yīng)時(shí)，它們會(huì)接受水，但如果它們?cè)诼牭降皖l音調(diào)時(shí)按下杠桿，它們就會(huì)收到令人不快的空氣。

當(dāng)聲音更大時(shí)，老鼠也學(xué)會(huì)了用力推動(dòng)杠桿。當(dāng)交易量較低時(shí)，他們更不確定是否應(yīng)該推動(dòng)。而且，當(dāng)研究人員抑制coeruleus位點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)，當(dāng)老鼠聽到低音量的音調(diào)時(shí)，它們變得更加猶豫是否要推動(dòng)杠桿，這表明去甲腎上腺素促進(jìn)了在回報(bào)不確定的情況下獲得獎(jiǎng)勵(lì)的機(jī)會(huì)。

“動(dòng)物在推動(dòng)，因?yàn)樗胍?jiǎng)勵(lì)，而coeruleus位點(diǎn)提供了關(guān)鍵信號(hào)，說，現(xiàn)在就推動(dòng)，因?yàn)楠?jiǎng)勵(lì)會(huì)到來，”蘇爾說。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種去甲腎上腺素信號(hào)的神經(jīng)元似乎將其大部分輸出發(fā)送到運(yùn)動(dòng)皮層，這提供了更多證據(jù)表明該信號(hào)刺激動(dòng)物采取行動(dòng)。

信號(hào)驚喜

雖然去甲腎上腺素的最初爆發(fā)似乎刺激小鼠采取行動(dòng)，但研究人員還發(fā)現(xiàn)，第二次爆發(fā)經(jīng)常發(fā)生在試驗(yàn)結(jié)束后。當(dāng)老鼠獲得預(yù)期的獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，這些爆發(fā)很小。然而，當(dāng)審判的結(jié)果出人意料時(shí)，爆發(fā)要大得多。例如，當(dāng)一只老鼠得到一股空氣而不是它所期望的獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，coeruleus會(huì)發(fā)出一大股去甲腎上腺素。

在隨后的試驗(yàn)中，當(dāng)不確定它是否會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，這只老鼠不太可能推動(dòng)杠桿。“動(dòng)物在不斷調(diào)整自己的行為，”蘇爾說。“盡管它已經(jīng)學(xué)會(huì)了這項(xiàng)任務(wù)，但它正在根據(jù)剛剛完成的工作調(diào)整自己的行為。

當(dāng)小鼠獲得意想不到的獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，它們?cè)谠囼?yàn)中也表現(xiàn)出去甲腎上腺素的爆發(fā)。這些爆發(fā)似乎將去甲腎上腺素?cái)U(kuò)散到大腦的許多部位，包括前額葉皮層，在那里發(fā)生計(jì)劃和其他高級(jí)認(rèn)知功能。

“coeruleus位點(diǎn)的驚奇編碼功能似乎在大腦中更為普遍，這可能是有道理的，因?yàn)槲覀兯龅囊磺卸际怯梢馔庹{(diào)節(jié)的，”蘇爾說。

研究人員現(xiàn)在計(jì)劃探索去甲腎上腺素與其他神經(jīng)調(diào)節(jié)劑(尤其是多巴胺)之間可能的協(xié)同作用，多巴胺也會(huì)對(duì)意想不到的獎(jiǎng)勵(lì)做出反應(yīng)。他們還希望更多地了解前額葉皮層如何存儲(chǔ)來自coeruleus位點(diǎn)的輸入的短期記憶，以幫助動(dòng)物在未來的試驗(yàn)中提高其表現(xiàn)。