大脑“抉择”之谜揭开！《科学》发表深圳先进院朱英杰等研究成果

如果有一块香喷喷的奶酪摆在面前，任哪只小老鼠，都会兴致冲冲地奔向美味。但如果奶酪旁冒出一只面露凶相的猫呢，老鼠会做出怎样的选择？食物和生命，哪个更重要？以往，人们认为这种选择理所当然。

10月26日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所（简称先进院脑所）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，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。

他们利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术，首次发现在小鼠大脑中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），这些位于大脑中部PVT脑区的神经元活动能够反映外界刺激的重要性，并且随内在生理状态和外部环境而动态地变化，从而控制学习能力。该研究成果以长文形式发表于美国《科学》杂志，朱英杰是论文第一作者。

“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。”朱英杰表示。

大脑中存在对信息重要性进行评估的脑区

我们每时每刻都会接受大量信息的轰炸，为什么你会从海量信息中抽提出对你最重要的信息，并据此做出恰当反应？

“这是大脑信息处理面临的一个基本问题。”朱英杰表示。此前，他曾以第一作者在国际顶级期刊《自然》杂志上发表另一项重要研究，首次发现大脑中存在可以用于戒除毒瘾的全新神经通路（详情请点击《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）。

本次《科学》发表的工作正是针对同一脑区的再次突破，此前国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪，朱英杰等针对同一脑区全面研究其基础生理功能，通过实验论证颠覆性提出PVT动态编码事件重要性的概念。

“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。”美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka评价道。

科研人员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。

在研究中，科研人员发现小鼠对气味的反应也很有意思。他们首次为小鼠呈现了小鼠不喜不厌的中性气味，如果是第一次呈现该气味，则能够激活PVT；但是如果该气味反复出现并且没有伴随任何后果时，PVT反应逐渐消失；当该气味与奖赏或惩罚偶联起来时，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映刺激的强度。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。

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。

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。

Robert Malenka院士对该项研究的全面评价如下：“此项研究十分复杂而精巧，主要阐述大脑如何处理和编码可明显影响行为的外界刺激的显著程度，也就是其作为动机的重要性。论文的研究结果表明丘脑的一个特殊核团——丘脑室旁核，在追踪外界刺激的显著性方面发挥着重要作用。而大脑正是利用这些信息来学习如何衡量外界刺激，例如对某些刺激该重视或趋近，对某些刺激该忽略或避免。此前，人们一直认为丘脑主要参与处理环境中的感觉刺激。而这项重要的研究则拓展了我们对丘脑功能的认识，并且论述了丘脑如何在不同形式的学习记忆过程中发挥关键作用。由此可以预见，许多常见的脑疾病很可能也涉及了丘脑室旁核的功能异常，如药物成瘾和抑郁症等。通过缜密的实验设计和富有创造性的利用各种先进的神经科学工具，这项研究发现了新的影响学习和记忆的重要神经机制。我非常确信此项工作将引起脑认知和脑疾病研究领域的广泛关注，并且会吸引更多的研究者探索丘脑室旁核这一重要脑区的功能。”

“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在编码显著性和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。”匿名审稿人表示。

该机制会针对内外环境变化动态调节，抑制PVT也可能让你缓入“七年之痒”

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，并且思考它会具有怎样的意义。

朱英杰还记得，在完成实验第一步之后，他一直在苦苦冥想，这种编码信息重要性的神经细胞特性到底有什么意义，并且不断找同事进行头脑风暴，后来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该机制在面对内外在环境变化后的动态响应。正是这种不断求索的严谨的科研态度，也让该工作在水平上提高了一大步。

外界刺激的显著性（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。

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，食物的诱惑性就要大打折扣。另外，外部环境的变化也影响着事件的重要性，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，这时猫的显著性（重要性）就要大于食物，小鼠就会压制对食物的冲动首先躲避猫。

他们通过光纤成像记录技术和单细胞电生理记录技术从不同角度反复验证发现，PVT神经元的活动能够根据动物内在生理状态和外部环境，动态反映动物对重要性的判断。

同样是用于奖赏的水，该信息能够在口渴的小鼠上诱发更大的PVT反应。当小鼠处于较弱的惩罚（吹气）环境时，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。这说明PVT的活动能够反映奖赏的相对重要性（显著性）。

此外，他们也在研究中发现了PVT脑区对于预期奖励落空（Reward Omission）存在动态评估机制。也就是说，当每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪时，它已经习惯了这种奖赏。但是，有一天当小鼠去到冰箱前却没有看到奶酪时，它的“心理失落感”会激活PVT。

然而，由于动物具有消退学习能力，即它如果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。就好比夫妻的“七年之痒”，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“家人”。但如果一旦有外界环境的刺激，又可能会重新激活初恋时的“心跳感”。

不过，科研人员也发现，如果他们抑制小鼠的PVT活动，其消退学习的过程则会变得更慢。针对上述例子，人为干预也可能会减缓感情消退的过程，使夫妻双方一直保持"心动感"。

人为干预可提升注意力和学习能力，有望应用于类脑人工智能技术

2016年春天，深圳先进院院长樊建平带队到斯坦福大学招聘人才，朱英杰参加了这次宣讲会，并与先进院脑所所长王立平取得联系，了解到先进院建立了非常完备的脑科学研究平台，科研设备和管理水平都属于国际领先，他萌生了回国发展的念头。

加入深圳先进院后，朱英杰进一步深入研究大脑对于信息重要性的评估机制。“仅仅找出数据、发现机制，还不是我们的最终目的，我们的最终目的是要解决问题，让科学研究能够‘研之有用’。”

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。

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,PVT的活动对于学习能力是非常重要的。

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。但在日前召开的第S43次香山科学会议上，中科院神经科学所蒲慕明院士也指出，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。香港科技大学叶玉如院士也曾在会上指出：“目标是在多个层面，理论上模拟大脑的机制和结构，开发一个更具有普遍性的AI以应对包括多任务、自学习和自适应等方面的挑战。”

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”。通过调控PVT脑区的神经活动，他们发现该脑区神经元活性控制着小鼠学习能力。当利用光遗传学技术抑制PVT活动后，偶联性学习的速率和效果都大大受损。

“未来我们将进一步研究,是否可以通过增强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。”朱英杰表示。

此外，该大脑机制的研究发现也可能会为未来类脑智能与人工智能技术的结合提供新的研究思路。

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。

先进院朱英杰研究员是该论文的第一作者，斯坦福大学陈晓科教授是论文通讯作者。

朱英杰简介：

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。主持国家自然科学基金委、深圳科技创新委多个项目。

陈晓科简介：

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。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《自然》《科学》《自然·神经科学》等顶尖杂志发表论文，主持多项美国国立卫生研究院课题。

编辑 曹亮