中美学者《科学》杂志发文解析：大脑如何做出选择？

　　统计显示，人类大脑每天会做10万个决定， 大到读什么专业、找什么工作、和什么样的人谈恋爱，小到今晚是看电视还是读书、周末在家睡觉还是去健身房锻炼，我们无时无刻不在做选择。

　　在不断的选择后，我们走出了不一样的人生道路。

　　选择对我们的生活有多重要，不言而喻。

　　那我们是如何做出这些选择的呢？

　　大脑首先要对与选择相关的信息的重要程度进行评估，再“计算”出选择。

　　近日，科研人员发现了大脑中动态评估这些信息的重要机制。10月26日，该研究发表于美国《科学》杂志（论文链接：        ）[W用1] ，这一发现未来有望帮助我们了解那些决定人生成败的选择究竟是如何做出的，开启脑科学研究的又一重要领域。

　　该研究是由中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“中科院深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所研究员朱英杰与美国斯坦福大学生物系教授陈晓科合作发现的。中科院深圳先进院朱英杰是该论文的第一作者，陈晓科是论文通讯作者。

　　图：研究成果以长文形式发表于美国《科学》杂志 （图片来源：《科学》杂志网站）

　　这条信息重要不重要？大脑中这个区域说了算！

　　我们每时每刻都会接受大量信息的轰炸，为什么你能从海量信息中抽提出对你最重要的信息，并据此做出合适反应？

　　大脑中应该存在一个这样的区域，可以对信息的重要性进行动态评估。

　　科研人员的第一个发现，就是大脑中部的丘脑室旁核（PVT）是动态评估信息重要性的关键脑区。

　　图 大脑中部的丘脑室旁核（PVT）

　　（图片来源：论文作者）

　　利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术，科研人员找到了大脑中动态评估外界信息重要性的机制，并发现，当事件的重要性随动物内在生理状态和外部环境变化时，PVT的活动能够追踪这种变化，从而控制着学习的速率和效果。

　　那科研人员是如何发现这个脑区和这一机制的呢？

　　他们首先训练小鼠进行嗅觉巴浦洛夫条件性学习，将不同的气味刺激跟奖赏（水）或者惩罚（吹气或电击）联系起来，发现大脑中部的丘脑室旁核（PVT）神经元能够被重要的事件所激活，而且奖赏和惩罚都能激活PVT神经元。

　　在实验中，科学家先为小鼠呈现它们不喜欢也不讨厌的中性气味。

　　结果发现，当第一次呈现中性气味时，PVT能够被激活；当气味反复出现并且没有伴随任何奖赏或惩罚时，PVT反应逐渐消失；如果把气味与奖赏或惩罚偶联起来，那么PVT又能被激活。

　　图：PVT 编码了刺激的显著性。 A：嗅觉巴甫洛夫条件性学习实验范式； B： 小鼠行为； C：光纤记录显示无论奖赏还是惩罚都能激活PVT； D：电生理记录显示单个PVT神经元能够被奖赏和惩罚所激活，从而编码了刺激的显著性。（图片来源：论文）　　 

　　此外，PVT被激活的幅度也能够反映刺激的强度。两滴水的奖赏比一滴水的奖赏能够更好地激活PVT，强烈的惩罚（电击）比微弱的惩罚（吹气）能够诱发更大的PVT反应。

　　“这是科学家第一次发现在丘脑中存在能反映外界刺激重要性的神经元。”论文通讯作者陈晓科表示。　　 

　　谁能改变选择？生理和环境

　　在发现了大脑中存在对信息重要性评估的脑区的基础上，朱英杰与团队又进一步思考，应该如何深挖这种响应机制，它会具有怎样的意义呢。

　　朱英杰与团队想到，可以通过改变内在生理状态和外部环境，来进一步研究这一机制在面对内、外在环境变化后的动态响应！

　　不同的人在面临同样的信息时，对信息重要性的判断不尽相同；即使是同一个人，在不同的环境中面临同样的信息时，对信息重要性的判断也不是完全一样的，甚至差别巨大。

　　这些差别都能在PVT反应中体现吗？

　　这一次，实验对象依然是小鼠。

　　小鼠的生理状态影响着刺激的重要性。例如，当小老鼠饥肠辘辘时，食物对它来说就是非常重要的资源；但是当它酒足饭饱之后，食物的重要性就要大打折扣。

　　而且，外部环境的变化也影响着事件的重要性。例如，即使小鼠饥肠辘辘，食物就在眼前，但如果有只猫在食物旁边，这时猫的重要性（显著性）就要大于食物，小鼠就会压制对食物的冲动首先躲避猫。

　　借助光纤成像记录技术和单细胞电生理记录技术，科研人员从不同角度设计实验发现，同样是用于奖赏的水，在又饿又渴的小鼠身上能够诱发更大的PVT反应。当小鼠处于较弱惩罚（吹气）的环境中，水的奖赏信息能够诱发很大的PVT反应；但是如果切换到较强的惩罚（电击）环境中，同样是水的奖赏信息，只能激发较小的PVT反应。

同样是用于奖赏的水，在又饿又渴的小鼠上，能够诱发更大的PVT反应

　　（图片来源：论文）　　 

　　这说明动物内在生理状态和外部环境变化都能影响PVT对奖赏信息的反应，PVT神经元的活动程度确实体现了动物对信息重要性的不同判断！

　　也就是说，PVT神经元的活动状态可以动态反映对信息重要性的判断。

　　要知道，人们每时每刻面对选择时，进行抉择的依据就是对信息重要性的判断。

　　而现在科学家发现，通过改变内在生理状态和外部环境是可以改变这种“选择”的。这一研究将帮助科学家分析那些影响人们做选择的因素，有望使我们做出更好的选择。　　 

　　抑制PVT脑区 结果会怎样？

　　此外，他们也在研究中发现了PVT脑区对于预期奖励落空存在动态评估机制。设想一个场景，每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪，一段时间后它会习惯了这种奖赏。但是，有一天当小鼠去到冰箱前却没有看到奶酪，它的“心理失落感”就会激活PVT。然而，由于动物具有消退学习能力，它如果习惯了冰箱前没有出现奶酪，就会逐渐习惯于这种失落感而停止再去冰箱寻找奶酪。就好比具有“七年之痒”的夫妻，如果一直习惯了对方的存在，在见到对方时很可能不会产生高PVT反应，这时，夫妻就可能变成了“家人”。但如果一旦有外界环境的刺激，又可能会重新激活双方相爱时的“心跳感”。

　　不过，科研人员也发现，如果人为抑制小鼠PVT的活性，小鼠将减缓失落感，其消退学习的过程则会变得更慢。用上一个例子来讲，就是夫妻双方会一直保持对双方的心动感，感情消退的过程会更慢。

　　更值得一提的是，科研人员发现通过调控脑区，也可以影响小鼠的学习能力。未来科研人员将重点在该方向开展研究。

　　未来：小鼠——人类——人工智能

　　研究人员为什么会把研究方向从聚焦到少有人研究的PVT脑区呢？这是建立在他以前的另一项重要的研究基础之上的（详情请戳《毒瘾在脑中疯狂飙车，你让我靠意志力停车？安一个刹车也许有救》https://mp.weixin.qq.com/s/uGwlP44QMpywP6xv-RoG-w）

　　最初，朱英杰发现出现戒断症状的小白鼠，脑中有一条神经通路似乎被激活了，这条通路是从丘脑室旁核（PVT）传到伏隔核（NAc）的谷氨酸能神经通路。根据以前科学界对丘脑室旁核（PVT）的研究，这个区域跟人们的焦虑、恐惧、抑郁等负面情感有关系，那么PVT脑区是否与其他行为相关联呢？

　　他用了两年半的时间开展多层次实验论证，颠覆性地提出了PVT动态编码事件重要性的概念，还提出了该脑区能控制学习能力的观点。

　　然而，得出这些重要结论的实验并非一帆风顺，比如，在活动的动物上进行多通道电生理记录技术，对于朱英杰来说，就是头一遭。

　　2016年实验最开始时，他遇到了很多技术上的困难，比方说小鼠运动时带来的电噪音太大。因此他不得不跑到其他实验室虚心求教，自己制作电极、进行电镀、调整参考电极和地线，花了一两个月的时间才解决这个技术难题。

科研人员搭建的实验装置 （图片来源：论文作者）

　　而且，由于他们最开始选择的是光纤记录技术，虽然也能看到类似的现象，但由于该技术无法达到单细胞分辨率，不够细致，因此他们又额外花了半年时间，用分辨率更高的电生理记录技术再次验证了这一现象。

　　这些工作和严谨的科研精神都得到了回报。这篇文章在science的投稿过程非常顺利，审稿人对这篇论文一致做出高度评价。

　　 一位审稿人表示：“朱英杰等人报道了一系列非常漂亮的实验，这些卓越并且激动人心的实验结果证明了PVT在‘显著性（重要性）’控制联想学习效果上的重要作用。这篇优秀的论文中，实验设计得非常优雅，结果和展示都非常清楚。让读者在对这一神秘脑区功能的理解上迈出了重要的一步。”

　　朱英杰表示，“判断信息的重要性是一个高级的大脑功能，它能够帮助人们更好地适应多变的环境，也控制着人们的注意力和学习能力。这一发现为人们未来研究如何提高大脑的认知和学习能力奠定了重要基础，对普通人群和脑疾病患者的认知与治疗均具有突破性意义。”

　　而在大数据时代，如何从海量信息中寻找重要的有效信息？在一万张人脸中，如何通过一个生物学特征快速准确识别出你想要找的那个人？需要寻找到其背后的生物学原理。因此，通过研究大脑如何动态评估外界信息重要性、生物学显著性的内在机制，对于未来发展类脑智能、增强脑机融合，推动人工智能技术的跨越发展具有重要意义。 

　　朱英杰简历：

　　朱英杰，博士，研究员。2012年于中科院上海神经所获博士学位，后赴美国斯坦福大学从事博士后研究，2017年全职加入先进院脑所担任研究员。在国际上率先揭示了阿片类药物戒断症状产生的神经环路机制，为药物依赖患者带来了全新的治疗策略，以第一作者身份在国际权威杂志《自然》发表该成果；发现丘脑在评估信息重要性及学习记忆中的重要作用，以第一作者身份在《科学》上发表该成果。以项目负责人（PI）身份独立主持美国国家精神分裂症与抑郁症研究联盟（NARSAD）项目，主持国家自然科学基金委、深圳科技创新委多个项目。 

　　陈晓科简历：

　　陈晓科，博士，教授。2005年于中国科学院上海神经科学研究所获得神经生物学博士学位，之后在加州大学以及哥伦比亚大学从事博士后工作，现任美国斯坦福大学生物系助理教授。陈晓科博士其研究方向主要集中在大脑神经环路对动机行为的调控，以及这些神经环路的异常对精神障碍发病机制的贡献。陈教授在该领域已取得多项研究成果，并作为独立通讯作者在Nature, Science，Nature Neuroscience等顶尖杂志发表论文，主持多项美国国立卫生研究院课题。 　　

　　出品：科普中国 

　　作者：中国科学院深圳先进技术研究院 丁宁宁 姜天海 

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心