大腦中有一個動態(tài)評估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區(qū):丘腦室旁核——

周末應(yīng)該在家看書還是出去k歌？冬天快到了，是堅持健身還是涮個火鍋？每天，人們都面臨著數(shù)百種選擇。過去，人們認(rèn)為這種選擇是理所當(dāng)然的。

然而，美國斯坦福大學(xué)生物學(xué)教授陳小可和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦研究所研究員祝英杰最近發(fā)現(xiàn)，丘腦(PVT)室旁核存在一個動態(tài)評估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區(qū)3354。這個大腦區(qū)域可以評估不同環(huán)境和生理狀態(tài)下事件的重要性，從而幫助人們做出適當(dāng)?shù)倪x擇。

此前，國際科學(xué)界普遍認(rèn)為，PVT調(diào)節(jié)焦慮、恐懼和抑郁等負(fù)面情緒。朱英杰等人的這一發(fā)現(xiàn)，通過實驗論證顛覆了PVT動態(tài)編碼事件重要性的概念，發(fā)表在10月26日的《科學(xué)》雜志上。

“這項重要的研究擴(kuò)展了我們對丘腦功能的理解，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機(jī)制。這項工作將在大腦認(rèn)知和腦疾病研究領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，并吸引更多研究人員探索重要腦區(qū)PVT的功能?！泵绹谌茖W(xué)院院士、斯坦福大學(xué)終身教授羅伯特馬倫卡對記者《中國科學(xué)報》評論道。

負(fù)責(zé)大腦“選擇”的關(guān)鍵腦區(qū)

人們無時無刻不被海量信息轟炸。你為什么從中提取最重要的信息并做出相應(yīng)的適當(dāng)回應(yīng)？

"這是大腦信息處理的一個基本問題."該論文的第一作者朱英杰說。此前，他曾在《自然》雜志上發(fā)表另一項研究成果，首次發(fā)現(xiàn)大腦中有一種新的神經(jīng)通路，可以用來戒除毒癮。發(fā)表于《科學(xué)》的工作是針對同腦區(qū)的突破，全面研究PVT的基本生理功能。

利用光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合電生理學(xué)和光纖記錄技術(shù)，他們首次發(fā)現(xiàn)了小鼠大腦中一組可以編碼外部信息(即生物學(xué)意義)的神經(jīng)元的重要性。大腦中部PVT腦區(qū)的這些神經(jīng)元活動可以反映外界刺激的重要性，并隨內(nèi)部生理狀態(tài)和外界環(huán)境動態(tài)變化，從而控制學(xué)習(xí)能力。

“判斷信息的重要性是一種高級的大腦功能，可以幫助人們更好地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，控制人們的注意力和學(xué)習(xí)能力。這一發(fā)現(xiàn)為今后研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)，對普通人和腦病患者的認(rèn)知和治療具有突破性意義?！敝煊⒔苷f。

研究人員通過小鼠嗅覺巴甫洛夫條件學(xué)習(xí)實驗，將不同的氣味刺激與獎勵(水)或懲罰(吹氣或電擊)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)無論獎勵和懲罰如何，PVT神經(jīng)元都會被重要事件激活。

有趣的是，如果老鼠反復(fù)發(fā)出令人不快的中性氣味而沒有任何后果，PVT反應(yīng)將逐漸消失。當(dāng)氣味加上獎懲，PVT可以再次被激活。此外，PVT激活的程度也能反映獎懲的刺激強(qiáng)度。

“這是科學(xué)家首次在丘腦中發(fā)現(xiàn)能夠反映外界刺激重要性的神經(jīng)元?！痹撜撐牡淖髡哧愋】烧f。

抑制PVT可能會延緩“七年之癢”

朱英杰等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，外界刺激的重要性不僅取決于刺激本身的物理特性，還與動物的內(nèi)部生理狀態(tài)和外部環(huán)境有關(guān)。

比如，饑餓時，老鼠“為天而食”；當(dāng)它充滿酒和食物時，食物的誘惑力會大大降低。看外部環(huán)境，即使一片誘人的奶酪放在饑餓的老鼠面前，如果一只貓在食物周圍露出牙齒，老鼠也會抑制自己的食欲，先逃命。

他們通過光纖成像記錄和單細(xì)胞電生理記錄技術(shù)，從不同角度反復(fù)驗證

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在PVT腦區(qū)，對預(yù)期獎賞的失敗存在一種動態(tài)評估機(jī)制。如果一只老鼠每天都能在冰箱前找到一塊奶酪，但有一天奶酪突然消失了，老鼠的“失落感”也會激活PVT。

然而，動物也有逐漸遠(yuǎn)離學(xué)習(xí)的能力，也就是說，如果它們習(xí)慣了沒有奶酪，它們就會逐漸停止這種行為。就像夫妻的“七年之癢”，如果你一直習(xí)慣了對方的存在，PVT的反應(yīng)就會趨于平淡。一旦有了外界的刺激，就有可能重新激活初戀的“心跳”。然而，研究人員還發(fā)現(xiàn)，抑制PVT活動會減緩小鼠的學(xué)習(xí)過程。這是否意味著我們也可能減緩“七年之癢”？

它有望用于類腦人工智能。

這是祝英杰首次對活體動物進(jìn)行多通道電生理記錄技術(shù)。老鼠的移動使電噪音太大，所以他不得不花一兩個月的時間向其他實驗室學(xué)習(xí)。

而且，由于他們從光纖記錄技術(shù)起步，無法達(dá)到單細(xì)胞分辨率，他們又花了半年時間，用更高分辨率的電生理記錄技術(shù)再次驗證了這一現(xiàn)象。但正是這些努力，使實驗設(shè)計更加精巧，工作更加系統(tǒng)。

“朱英杰等人報道了一系列非常漂亮的實驗。這些優(yōu)秀而令人興奮的實驗結(jié)果證明了PVT在編碼顯著性和控制聯(lián)想學(xué)習(xí)效果方面的重要作用。在這篇優(yōu)秀的論文中

中，實驗設(shè)計得非常優(yōu)雅，結(jié)果和展示都非常清楚。讓讀者在對這一神秘腦區(qū)功能的理解上邁出了重要的一步。”審稿人對文章作出一致高度評價。

近年來，腦科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。朱英杰等的工作正是對PVT腦區(qū)的“讀”與“控”。

通過調(diào)控PVT腦區(qū)的神經(jīng)活動，他們發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)神經(jīng)元活性控制著小鼠的學(xué)習(xí)能力。當(dāng)利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制PVT活動后，偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損，表明PVT活動對學(xué)習(xí)能力的重要性。

“未來我們將進(jìn)一步研究，可否通過增強(qiáng)PVT活動提高人們的注意力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)用打開一扇窗口。”朱英杰表示。

此外，研究大腦如何動態(tài)評估外界信息重要性的內(nèi)在機(jī)制，也將為未來發(fā)展類腦智能，增強(qiáng)腦機(jī)融合，推動人工智能技術(shù)的跨越發(fā)展帶來啟發(fā)。