近日，葡萄牙Champalimaud未知研究中心(CCU)和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）組成的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)血清素對(duì)學(xué)習(xí)的未知影響——能增強(qiáng)嚙齒類動(dòng)物學(xué)習(xí)的作用。該研究于2018年6月26日發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

   血清素(5-羥色胺)是神經(jīng)細(xì)胞用來(lái)相互交流的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，其對(duì)行為的影響尚不明確。*以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家們一直在努力建立一套完整的理論來(lái)描述血清素在正常大腦中的作用機(jī)制。但是確定血清素的功能非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是它對(duì)學(xué)習(xí)的影響。現(xiàn)在，研究人員們利用一種新的數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)了原因。

     該研究的*的者之一Zach Mainen教授說(shuō)：“研究發(fā)現(xiàn)，血清素能夠加快學(xué)習(xí)速度。如果利用激光人為地激活血清素神經(jīng)元，小鼠就能在需要靈活性的情況下更快地調(diào)整自己的行為。也就是說(shuō)，當(dāng)這些神經(jīng)元處于活躍狀態(tài)時(shí)，它們會(huì)更重視新的信息，從而更迅速地改變它們的想法。”血清素在過(guò)去被認(rèn)為能增強(qiáng)大腦可塑性，這項(xiàng)研究也進(jìn)一步證實(shí)這種觀點(diǎn)，從而否定了血清素是一種情緒促進(jìn)劑的普遍概念。

小鼠大腦中產(chǎn)生血清素的神經(jīng)元（粉色）的顯微成像。圖片來(lái)源：Matias, Lottem et al./CCU

   這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可以更好地解釋為什么選擇性血清素再攝取抑制劑(SSRI)與行為療法相結(jié)合能夠?qū)σ钟舭Y狀產(chǎn)生更好的療效。SSRI是一種抗抑郁藥物，它能夠增加大腦中流動(dòng)的血清素的水平,更有效的結(jié)合行為療法基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的行為策略,避免抑郁癥狀。

    在試驗(yàn)中，小鼠需要完成一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)，它們的目標(biāo)是找到水。Fonseca解釋說(shuō)：“這些小鼠被置于一個(gè)小房間內(nèi)，它們需要觸碰左邊或右邊的一個(gè)分液器，這個(gè)分液器會(huì)以一定的概率流出水。”

圖片來(lái)源：《Nature Communications》

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠在兩次嘗試之間等待的時(shí)間是不同的，它們或者會(huì)立即嘗試觸碰其中一邊的分液器，或者會(huì)在做一個(gè)新的嘗試之前等待更長(zhǎng)時(shí)間。正是這種可變性使研究團(tuán)隊(duì)得以揭示出血清素對(duì)小鼠制定決策的新作用。

在反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程中，小鼠在開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)候等待的時(shí)間更長(zhǎng)。這可能是因?yàn)?，在試?yàn)開(kāi)始時(shí)小鼠更容易分心，對(duì)任務(wù)也不熟練，也許它們只是希望離開(kāi)這個(gè)試驗(yàn)環(huán)境。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，它們已經(jīng)喝了足夠的水，它們尋求水這種獎(jiǎng)勵(lì)的動(dòng)機(jī)就會(huì)減弱。

圖片來(lái)源：《Nature Communications》

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論哪種情況下（取決于兩次嘗試之間的時(shí)間間隔），小鼠都會(huì)采用兩種不同的策略來(lái)使自己獲得獎(jiǎng)勵(lì)的機(jī)率大化（獲得水）。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩次嘗試之間的間隔較短時(shí)，能夠的好地預(yù)測(cè)小鼠下一步選擇的數(shù)學(xué)模型幾乎*基于上一次嘗試的結(jié)果（有水或沒(méi)水），也就是說(shuō)，它們會(huì)再次觸碰相同的分液器，如果沒(méi)有水，它們會(huì)轉(zhuǎn)向另一個(gè)分液器，這種策略被稱為“贏-保持-輸-轉(zhuǎn)變”。

這表明，當(dāng)兩次實(shí)驗(yàn)之間的間隔很短時(shí)，小鼠幾乎*依賴于它們的“工作記憶”做出下一個(gè)選擇，工作記憶指的是與即時(shí)感知相關(guān)的短期記憶。

另一方面，當(dāng)兩個(gè)連續(xù)試驗(yàn)之間的間隔超過(guò)7秒時(shí)，能預(yù)測(cè)小鼠的下一個(gè)選擇的模型表明，它們正在利用積累的獎(jiǎng)勵(lì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)其下一個(gè)動(dòng)作。換句話說(shuō)，它們的*記憶開(kāi)始發(fā)揮作用。

CCU的研究團(tuán)隊(duì)利用光遺傳學(xué)技術(shù)通過(guò)激光刺激小鼠大腦中能夠產(chǎn)生血清素的神經(jīng)元，從而分析血清素水平上升對(duì)小鼠覓食行為的影響。他們?cè)噲D確定血清素水平上升是否能夠影響他們剛剛發(fā)現(xiàn)的兩種不同的決策策略。

接下來(lái)發(fā)生了意外的事情。研究人員將所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在不考慮之前時(shí)間間隔的情況下，他們發(fā)現(xiàn)血清素變化對(duì)小鼠行為沒(méi)有顯著影響。只有當(dāng)他們考慮到?jīng)Q策策略時(shí)，他們才能從數(shù)據(jù)中提取出小鼠的學(xué)習(xí)速度增加。刺激血清素產(chǎn)生的神經(jīng)元提升了小鼠從過(guò)去的獎(jiǎng)勵(lì)歷史中學(xué)習(xí)的效率，但是血清素只影響時(shí)間間隔較長(zhǎng)的決策制定。

Murakami說(shuō)：“血清素總是能夠增強(qiáng)來(lái)自獎(jiǎng)勵(lì)的學(xué)習(xí)能力，但是這種影響只出現(xiàn)在動(dòng)物的部分選擇中。”

Iigaya說(shuō)：“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)，小鼠的選擇行為由兩個(gè)不同的決策系統(tǒng)產(chǎn)生。在大多數(shù)試驗(yàn)中，選擇是由一個(gè)‘快速系統(tǒng)’驅(qū)動(dòng)的，這項(xiàng)試驗(yàn)中，小鼠采用‘贏-保持-輸-轉(zhuǎn)變’的策略。但是在另外一部分試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，這種簡(jiǎn)單的策略根本無(wú)法解釋小鼠的選擇。相反，我們發(fā)現(xiàn)，小鼠遵循了它們的‘慢速系統(tǒng)’，在這種情況下，過(guò)去多次嘗試的歷史會(huì)影響小鼠的選擇，而不僅是近的幾次嘗試。此外，血清素只會(huì)影響后續(xù)的選擇，即小鼠采用的是‘慢速系統(tǒng)’。”

至于SSRI治療抑郁等精神類疾病的作用，研究人員總結(jié)道：“我們的研究結(jié)果表明，血清素能夠通過(guò)影響學(xué)習(xí)速率來(lái)提升大腦可塑性。這表明，SSRI療法如果與所謂的認(rèn)知行為療法相結(jié)合會(huì)更加有效，這種療法鼓勵(lì)患者打破習(xí)慣。