大腦如何對令人驚訝的事件做出反應(yīng)

根據(jù)麻省理工學(xué)院的一項新研究，當(dāng)你的大腦需要你關(guān)注一些重要的事情時，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，可以在整個大腦中產(chǎn)生廣泛的影響。在一項針對小鼠的研究中，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)。

“這項工作表明，coeruleus位點編碼意外事件，關(guān)注這些令人驚訝的事件對于大腦評估其環(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。 西蒙斯社會大腦中心主任。

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

蘇爾是這項新研究的資深作者，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)元以更點對點的方式接收的興奮性或抑制性驅(qū)動，”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)于多巴胺在動機和獎勵追求中的作用，但對其他神經(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導(dǎo)致焦慮。

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

在這項研究中，研究人員訓(xùn)練小鼠在聽到高頻音調(diào)時按下杠桿，但當(dāng)它們聽到低頻音調(diào)時則不會。當(dāng)小鼠對高頻音調(diào)做出正確反應(yīng)時，它們會接受水，但如果它們在聽到低頻音調(diào)時按下杠桿，它們就會收到令人不快的空氣。

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

“動物在推動，因為它想要獎勵，而coeruleus位點提供了關(guān)鍵信號，說，現(xiàn)在就推動，因為獎勵會到來，”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的神經(jīng)元似乎將其大部分輸出發(fā)送到運動皮層，這提供了更多證據(jù)表明該信號刺激動物采取行動。

信號驚喜

雖然去甲腎上腺素的最初爆發(fā)似乎刺激小鼠采取行動，但研究人員還發(fā)現(xiàn)，第二次爆發(fā)經(jīng)常發(fā)生在試驗結(jié)束后。當(dāng)老鼠獲得預(yù)期的獎勵時，這些爆發(fā)很小。然而，當(dāng)審判的結(jié)果出人意料時，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勵時，coeruleus會發(fā)出一大股去甲腎上腺素。

在隨后的試驗中，當(dāng)不確定它是否會獲得獎勵時，這只老鼠不太可能推動杠桿。“動物在不斷調(diào)整自己的行為，”蘇爾說。“盡管它已經(jīng)學(xué)會了這項任務(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勵時，它們在試驗中也表現(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擴散到大腦的許多部位，包括前額葉皮層，在那里發(fā)生計劃和其他高級認(rèn)知功能。

“coeruleus位點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，因為我們所做的一切都是由意外調(diào)節(jié)的，”蘇爾說。

研究人員現(xiàn)在計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，多巴胺也會對意想不到的獎勵做出反應(yīng)。他們還希望更多地了解前額葉皮層如何存儲來自coeruleus位點的輸入的短期記憶，以幫助動物在未來的試驗中提高其表現(xiàn)。