医学顾事 中华医学会理事 神经外科教授
原来大脑能一直学习！最新《自然》研究揭示学习动力的本质
学习的动力是什么？科学家们通过实验早就发现，食物、金钱之类的奖励是促进大脑学习的一种动力，因为获得奖励时大脑会释放更多的多巴胺，这种化学物质让我们感觉很愉悦。
不过，学习的动力并不完全来自外界奖励。很多时候即使没有直接的奖励，大脑也会主动学习。
纹状体（striatum）中多巴胺和乙酰胆碱信号（ dopamine and acetylcholine signaling）之间存在紧密的相互作用。多巴胺能神经元表达毒蕈碱和烟碱受体（muscarinic and nicotinic receptors），胆碱能中间神经元表达多巴胺受体。纹状体中的所有神经元都是起搏器（ pacemaker）。多巴胺释放的增加是通过阻止乙酰胆碱释放而激活的。直接和间接途径协调的时间性或同步性对于精细动作至关重要。神经递质比例的变化被认为是帕金森病（Parkinson's disease）的一个重要因素。
一般来说，主要药物可以直接增加纹状体多巴胺的释放，而其他药物可以增强多巴胺和乙酰胆碱的释放。神经递质及其受体都表现出昼夜节律性变化。最近，人们观察到奖励功能是由昼夜节律系统调节的，在帕金森病的动物模型中存在行为变化(在光明期或黑暗期多动或低动)。纹状体是缺乏M4毒蕈碱受体小鼠活跃(暗)期运动增加的关键结构之一。因此，纹状体中多巴胺和乙酰胆碱信号系统之间可能存在相互作用的层次关系。
最近，顶尖学术期刊《自然》发表的一篇论文就为我们揭示了学习动力的本质。纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员通过精心设计的实验，展示了小鼠的大脑在没有奖励的情况下也能够一直自主学习。
原来大脑能一直学习！最新《自然》研究揭示学习动力的本质
在实验中，研究人员给十来只小鼠提供了滚轮，由它们随意运动或休息，还时不时地给它们提供饮料作为运动奖励。在此过程中，研究人员在这些动物的纹状体（striatum）——在学习新行为的巩固过程中起重要作用的脑区——中利用荧光探针记录下它们的神经活动，重点是测量两种神经信号分子在不同时间点的释放量。
这两种神经信号分子，一种就是前面提到的多巴胺，另一种是乙酰胆碱（acetylcholine），也与学习和记忆有关。而且两种神经信号分子有相互竞争的关系，其中一种增加，就会导致另一种分子减少。
原来大脑能一直学习！最新《自然》研究揭示学习动力的本质
当饮料作为奖励出现时，与预料的一样，小鼠脑中产生了典型的多巴胺急剧释放和乙酰胆碱暂停释放的模式。
然而，研究人员还观察到，在饮料奖励出现之前，实际上脑中的多巴胺和乙酰胆碱已经有较大周期的波动。荧光信号显示，无论小鼠是在奔跑还是没有明显感官刺激的休息状态，多巴胺水平和乙酰胆碱水平都会以大约每秒2次的频率此起彼伏。
过去通常认为奖励是学习的动机，因为奖励引发了多巴胺释放，同时这个过程也让乙酰胆碱减少。两种化学物质的平衡突然被外在的奖励刺激打破，给了脑细胞一个适应环境变化的机会。然而，多巴胺-乙酰胆碱具有周期性波动的新发现挑战了过去这一有关学习动机的解释：大脑似乎本身就有自主学习的能力，而外在的奖励只是利用了这一“天性”。
原来大脑能一直学习！最新《自然》研究揭示学习动力的本质
图片来源：123RF
论文通讯作者Nicolas Tritsch教授认为，新的发现或有助于解释大脑在不需要外部激励的情况下是如何自行学习和演练的，因为多巴胺-乙酰胆碱的环路可能会触发大脑回想已发生的事件并从中吸取经验。
虽然小鼠大脑在这种自我驱动的学习过程中如何处理信息未必与人脑完全相同，但有关学习动机的新机制可以为我们理解涉及多巴胺失调的人类精神疾病提供新的思路。例如抑郁症的一个常见症状是缺乏动力，患者因此连完成起床、刷牙等最基本的任务都非常困难。研究作者推测，内部驱动系统的紊乱可能是导致这些问题的源头。为此研究小组下一步计划构建精神疾病动物模型并考察其多巴胺-乙酰胆碱的波动。
6‘
参考资料：
[1] Anne C. Krok et al., (2023) Intrinsic dopamine and acetylcholine dynamics in the striatum of mice. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05995-9
[2] “Ebb and flow” brain mechanism that drives learning identified. Retrieved Aug. 10, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/997670
