丘脑室旁核 能助爱情“保鲜”

来源:大洋网—广州日报| 2018-10-27 08:34:10| 作者:王纳

  北京时间昨日凌晨,国际顶级学术期刊《科学》(《Science》)在线发表了一篇来自深圳科学家的科研成果,首次破译了人们做出选择背后的大脑机制。中国科学院深圳先进技术研究院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,大脑存在一个动态评估外界信息重要性的关键脑区——丘脑室旁核(PVT),该脑区能够在不同环境和生理状态下评估事件的重要性,从而帮助我们做出恰当选择。

  这篇发表在《科学》上的科研成果标题为“Dynamic salience processing in paraventricular thalamus gates associative learning”(丘脑室旁核的动态评估重要性机制控制联合性学习)。朱英杰是论文第一作者,陈晓科是论文通讯作者。朱英杰昨日接受了广州日报全媒体记者的专访。

  文、图/广州日报全媒体记者王纳 通讯员姜天海

  大脑PVT

  评估信息重要性

  在这项研究中,朱英杰等科研人员利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术,首次发现大脑存在一群神经元能够编码外界信息的重要性(即生物学显著性),这些神经元的活动能够动态地反映外界刺激的重要性随内在生理状态和外部环境而变化的事实,从而控制着学习能力。

  朱英杰设计了一个实验。他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)偶联起来,发现位于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,无论是奖赏还是惩罚性刺激都能激活PVT。

  朱英杰表示,“这部分神经元显示了大脑在面对不同信息时会产生自己对重要性的判断。”实验证明,外界刺激的重要性不仅取决于刺激本身的物理特征,也跟动物的内在生理状态和所处的外部环境有关,PVT神经元的活动能够根据动物内在生理状态和外部环境,动态地反映了动物对重要性的判断。

  研究发现影响学习和记忆的重要神经机制

  昨日,朱英杰在接受广州日报全媒体记者采访时表示,在活动的动物上进行多通道电生理记录技术,对于他来说也是头一遭。

  2016年实验开始时,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。

  而且,由于他们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。

  朱英杰告诉记者,以前,国际科学界对丘脑室旁核(PVT)的研究多是与人们的焦虑、恐惧、抑郁等负面情感有关,但最新发表的这篇《科学》文章通过实验论证,颠覆性地提出了PVT动态编码事件重要性的概念。

  既能提高学习能力

  还能维系夫妻感情

  这项科学发现有什么用呢?朱英杰告说,他们发现,对信息重要性的评估有助于将注意力集中于重要事件,从而提高对该事件的学习能力。他们利用光遗传学神经调控发现,PVT控制着小鼠学习的速率和效果。在嗅觉巴浦洛夫条件性学习中,小鼠能够学会气味跟水奖励的偶联,表现为预期性的舔水。在人为利用光遗传技术抑制PVT活动之后,这种偶联性学习的速率和效果都大大受损。这说明通过刺激PVT活动,就能有效地提高学习能力。

  同时,他们还发现动物具有消退学习能力。例如当每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪时,它会每天去冰箱前找奶酪,当有一天小鼠去到冰箱前却没有看到奶酪时,它的“心理失落感”会激活PVT。如果小鼠习惯了冰箱前没有奶酪,就会逐渐习惯于这种失落感而停止进行该行为。如果科研人员抑制了小鼠的PVT活动,其消退学习的过程则会变得更慢。

  朱英杰举例说,好比具有“七年之痒”的夫妻,如果一直习惯了对方的存在,PVT反应也会趋于平淡,这时,夫妻就可能过成了左手摸右手的感觉。但是,按照这项研究发现,就可以抑制他们的PVT活动,感情消退的过程会更慢,就能让夫妻双方一直保持初恋时的心动感。

  未来可能用在类脑人工智能上

  朱英杰说,未来将进一步研究是否可以通过调控PVT活动来提高人们的注意力、增强人们的学习能力,这将为转化应用打开一扇窗口。

  随着人工智能发展,以深度学习为代表的机器学习方法在视听觉感知上媲美甚至超越人类。但与人脑学习能力相比,机器学习在可解释性、推理能力、举一反三能力等方面存在明显差距。发展类脑智能,让机器向人学习,是提升人工智能水平的重要方向。近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。朱英杰等人的研究工作正是对PVT脑区的“读”与“控”。

  在大数据时代,如何从海量信息中寻找重要的有效信息?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。

  据了解,美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka对此评价很高。他说, “这项重要研究拓展了我们对丘脑功能的认识,发现了影响学习和记忆的重要神经机制。该工作将引起脑认知和脑疾病研究领域的广泛关注,并吸引更多研究者探索PVT这一重要脑区的功能。”

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