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中美学者《科学》杂志发文解析:大脑宜宾学院语言文字网如何做出选择?

日前,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究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机制——丘脑室旁核,该脑区的信息处理会让大脑在不同环境和生理状态下获得对事件重要性的评估从而做出合适选择。10月26日,相关成果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》)以长文形式在国际学术期刊《科学》(Science,DOI:10.1126/science.aat0481)在线发表。朱英杰是论文第一作者,陈晓科是论文通讯作者。

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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或者惩罚偶联起来,发现位于大脑中部的丘脑室旁核神经元能够被重要的事件所激活,无论是奖赏和惩罚性刺激都能激活PVT。

统计显示,人类大脑每天会做10万个决定, 大到读什么专业、找什么工作、和什么样的人谈恋爱,小到今晚是看电视还是读书、周末在家睡觉还是去健身房锻炼,我们无时无刻不在做选择。

中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员朱英杰在做实验。记者喻剑摄

外界刺激的显著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。科研人员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,动态地反映动物对重要性的判断。

在不断的选择后,我们走出了不一样的人生道路。

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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。

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(图片来源:视觉中国)

图为荧光标记的丘脑室旁核。

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。相关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。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。

选择对我们的生活有多重要,不言而喻。

如果眼前摆放着一块香喷喷的奶酪,小老鼠通常会兴冲冲地奔向美味。但如果奶酪旁有一只凶相毕露的猫呢?小老鼠会做出怎样的选择?它的大脑内经历了怎样的“风暴”?如今,大脑发生“风暴”的特定区域,已经被科学家重点标记并反复验证——

该项研究得到国家自然科学基金委员会项目、深圳市科技计划项目等的资助。

那我们是如何做出这些选择的呢?

不久前,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究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,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。

论文链接

大脑首先要对与选择相关的信息的重要程度进行评估,再“计算”出选择。

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变化,从而控制学习能力。该研究成果已以长文形式发表于国际顶级期刊《科学》杂志。

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近日,科研人员发现了大脑中动态评估这些信息的重要机制。10月26日,该研究发表于美国《科学》杂志,这一发现未来有望帮助我们了解那些决定人生成败的选择究竟是如何做出的,开启脑科学研究的又一重要领域。

“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。

图1:大脑中部的丘脑室旁核

该成果是由中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“中科院深圳先进院”)脑认知与脑疾病研究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的。中科院深圳先进院朱英杰是该论文的第一作者,陈晓科是论文通讯作者。

大脑中存在对信息重要性进行评估的脑区

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研究成果以长文形式发表于美国《科学》杂志

每时每刻,我们都会接受大量信息的“轰炸”,为何你会从海量信息中提取出最重要的信息,并据此做出反应?

图2:PVT 编码了刺激的显著性。A:嗅觉巴甫洛夫条件性学习实验范式;B:小鼠行为;C:光纤记录显示无论奖赏还是惩罚都能激活PVT;D:电生理记录显示单个PVT神经元能够被奖赏和惩罚所激活,从而编码了刺激的显著性。

这条信息重要不重要?大脑中这个区域说了算!

“这是大脑信息处理面临的一个基本问题。”朱英杰表示,此前,国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪,但他们针对同一脑区,通过实验论证颠覆性提出——PVT动态编码事件重要性的概念。

我们每时每刻都会接受大量信息的轰炸,为什么你能从海量信息中抽提出对你最重要的信息,并据此做出合适反应?

“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罗伯特·马伦卡评价道。