研究小组发现,去甲肾上腺素的一个关键作用是帮助大脑从令人惊讶的结果中学习

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根据麻省理工学院的一项新研究,当你的大脑需要你注意一些重要的事情时,它可以做到的一种方式是释放出大量的去甲肾上腺素。这种神经调节剂是由大脑深处的一个叫做“蓝斑核”(Locus Coeruleus)的结构产生的,可以对整个大脑产生广泛的影响。在对小鼠的研究中,麻省理工学院的研究小组发现,去甲肾上腺素的一个关键作用是帮助大脑从令人惊讶的结果中学习。

麻省理工学院脑与认知科学系纽顿神经科学教授、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所成员、西蒙斯社会大脑中心主任Mriganka Sur说:“这项工作表明,神经末梢对意外事件进行编码,而关注这些意外事件对于大脑评估其环境至关重要。”

除了在发出惊喜信号方面的作用外,研究人员还发现去甲肾上腺素有助于刺激导致奖励的行为,特别是在对是否会提供奖励存在不确定性的情况下。

Sur是这项新研究的资深作者,该研究于2022年6月1日发表在《自然》杂志上。前麻省理工学院博士后、现为拉瓦尔大学副教授的Vincent Breton-Provencher和麻省理工学院研究生Gabrielle Drummond是该论文的主要作者。

调控行为

去甲肾上腺素是影响大脑的几种神经调节剂之一,另外还有多巴胺、血清素和乙酰胆碱。与能够实现细胞间交流的神经递质不同,神经调节剂在大脑的大片区域内释放,使它们能够发挥更普遍的影响。

Sur说:“神经调节物质被认为是灌注大脑的大片区域,从而改变神经元以更多的点对点方式接受的兴奋性或抑制性驱动。这表明它们一定具有非常关键的全脑功能,对生存和大脑状态的调节非常重要。”

虽然科学家们已经了解了很多关于多巴胺在动机和奖励追求中的作用,但对其他神经调节剂,包括去甲肾上腺素的了解却很少。它与唤醒和提高警觉性有关,但是过多的去甲肾上腺素会导致焦虑。

以前对大脑中去甲肾上腺素的主要来源–蓝斑核的研究表明,它接受来自大脑许多部分的输入,也将其信号发送到很远的地方。在新的研究中,麻省理工学院的团队着手研究它在一种特定类型的学习中的作用,这种学习被称为强化学习,或通过试验和错误学习。

在这项研究中,研究人员训练小鼠在听到高频音时推动一个杠杆,但在听到低频音时则不推。当小鼠对高频音做出正确反应时,它们会得到水,但如果它们在听到低频音时按下杠杆,它们会得到一股令人不快的空气。

小鼠还学会了在音调较高时用力推杆。当音量较低时,它们对是否应该推动更不确定。而且,当研究人员抑制位置神经元的活动时,小鼠在听到低音量的音调时变得更加犹豫不决,这表明去甲肾上腺素促进了在回报不确定的情况下冒险获得奖励的行为。

Sur表示:“动物推杆是因为它想获得奖励,而神经末梢提供关键信号,说现在就推,因为奖励会到来。”

研究人员还发现,产生这种去甲肾上腺素信号的神经元似乎将其大部分输出发送到运动皮层,这为这种信号刺激动物采取行动提供了更多证据。

虽然最初的去甲肾上腺素的爆发似乎刺激了小鼠采取行动,但研究人员还发现,在试验结束后往往会出现第二次爆发。当小鼠收到预期的奖励时,这些爆发是小的。然而,当试验的结果是一个惊喜时,这些爆发要大得多。例如,当一只小鼠收到空气,而不是它所期待的奖励时,大脑皮层释放出大量的去甲肾上腺素。

在随后的试验中,当这只老鼠不确定它是否会得到奖励时,它将更不可能去推动杠杆。Sur说:“动物正在不断地调整其行为。即使它已经学会了这项任务,它也在根据它刚刚做的事情来调整它的行为。”

当小鼠收到意外奖励时,它们在试验中也表现出去甲肾上腺素的爆发。这些爆发似乎将去甲肾上腺素扩散到大脑的许多部分,包括前额叶皮层,那里是计划和其他高级认知功能的发生地。

Sur说:“蓝斑核的惊喜编码功能似乎在大脑中更为广泛,这可能是有道理的,因为我们所做的一切都会受到惊喜的影响。”

研究人员现在计划探索去甲肾上腺素和其他神经调节剂之间可能的协同作用,特别是多巴胺,它也会对意外奖励做出反应。他们还希望更多地了解前额叶皮层如何储存来自大脑皮层的输入的短期记忆,以帮助动物在未来的试验中提高其表现。

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