《自然》揭示：发生意外时，大脑中发生了什么？ NA

邓文龙

《自然》揭示：发生意外时，大脑中发生了什么？ NA

学习行为过程中去甲肾上腺素的时空动态。从蓝斑 (LC) 释放的去甲肾上腺素是一种普遍存在的神经调节剂，它与多种功能有关，包括唤醒、动作和感觉增益和学习。神经调节剂，去甲肾上腺素-脑电觉醒，多巴胺-行为觉醒。

学术经纬
NANA
2022/06/07
论文
论文标题：Spatiotemporal dynamics of noradrenaline during learned behaviour
作者：Vincent Breton-Provencher, Gabrielle T. Drummond, Jiesi Feng, Yulong Li & Mriganka Sur
期刊：Nature
发表时间：2022/06/01
数字识别码：10.1038/s41586-022-04782-2
摘要：Noradrenaline released from the locus coeruleus (LC) is a ubiquitous neuromodulator1,2,3,4 that has been linked to multiple functions including arousal5,6,7,8, action and sensory gain9,10,11, and learning12,13,14,15,16. Whether and how activation of noradrenaline-expressing neurons in the LC (LC-NA) facilitates different components of specific behaviours is unknown. Here we show that LC-NA activity displays distinct spatiotemporal dynamics to enable two functions during learned behaviour: facilitating task execution and encoding reinforcement to improve performance accuracy. To examine these functions, we used a behavioural task in mice with graded auditory stimulus detection and task performance. Optogenetic inactivation of the LC demonstrated that LC-NA activity was causal for both task execution and optimization. Targeted recordings of LC-NA neurons using photo-tagging, two-photon micro-endoscopy and two-photon output monitoring showed that transient LC-NA activation preceded behavioural execution and followed reinforcement. These two components of phasic activity were heterogeneously represented in LC-NA cortical outputs, such that the behavioural response signal was higher in the motor cortex and facilitated task execution, whereas the negative reinforcement signal was widely distributed among cortical regions and improved response sensitivity on the subsequent trial. Modular targeting of LC outputs thus enables diverse functions, whereby some noradrenaline signals are segregated among targets, whereas others are broadly distributed.

所属学科：
脑科学
认知科学
药明康德内容团队编辑  



当你需要你关注一些重要的事情时，你的大脑会发生什么？最近，一项发表于《自然》的研究告诉我们一项全新的答案：大脑会释放一股去甲肾上腺素。研究团队发现，去甲肾上腺素有助于刺激能够产生奖励的行为，特别是在不确定是否会有奖励的情况下。






去甲肾上腺素由大脑深处被称为蓝斑核的结构产生，可以在整个大脑中产生广泛的影响。“这项工作表明，蓝斑核对意外事件进行编码，关注这些意外事件对于大脑评估其环境至关重要。”这项研究的通讯作者、麻省理工学院脑与认知科学系Mriganka Sur教授说。



去甲肾上腺素是影响大脑的几种神经调节剂之一，此外还有多巴胺、血清素和乙酰胆碱。与能够实现细胞间通讯的神经递质不同，神经调节剂在大脑的大片区域内释放，从而发挥更广泛的作用。





▲绿色荧光蛋白标记了蓝斑核中的神经元（图片来源：Gabi Drummond）



“神经调节物质被认为可以灌注大脑的大部分区域，从而改变神经元以点对点的方式接收的兴奋性或抑制性驱动，” Mriganka Sur教授说，“这表明它们必须具有非常重要的全脑功能，这些功能对于生存和大脑状态调节很重要。”



虽然科学家们已经了解了多巴胺在动机和追求奖励中的作用，但对包括去甲肾上腺素在内的其他神经调节剂，此前科学界了解有限。已经知道的是，去甲肾上腺素与唤醒和提高警觉性有关，但过多的去甲肾上腺素会导致焦虑。



此前对蓝斑核的研究表明，它接收来自大脑许多部位的输入，并广泛地发送信号。在这项新研究中，研究团队着手研究蓝斑核在强化学习中的作用，或通过试错来学习。



研究人员训练小鼠在听到高频音时推动杠杆，而在听到低频音时不推动杠杆。当小鼠对高频音做出正确反应时，作为奖励它们就会喝到水，但如果它们在听到低频音时推动控制杆，作为惩罚它们就会被喷射一股空气而感到很不舒服。



小鼠还学会了当音量更大时更加用力地推动杠杆。而当音量更小时，它们对于是否应该推动杠杆没那么确定了。研究人员抑制蓝斑核的活性后，当小鼠听到低音量的声音时，它们变得更加犹豫，而不去推动杠杆，这表明去甲肾上腺素促进了在回报不确定的情况下为获得奖励而冒险的行为。





▲蓝斑核被抑制后，去甲肾上腺素促进了在回报不确定的情况下为获得奖励而冒险的行为（图片来源：参考资料[2]）



研究人员还发现，产生这种去甲肾上腺素信号的神经元似乎将大部分输出发送到运动皮层，这提供了更多证据表明这种信号能刺激动物采取行动。



虽然最初去甲肾上腺素的激增似乎会刺激小鼠采取行动，但研究人员还发现，第二次激增通常发生在试验结束后。当小鼠收到预期的奖励时，激增的幅度很小。然而，当试验的结果出人意料时，去甲肾上腺素的激增的幅度要大得多。例如，当一只小鼠被喷了一股空气而不是它所期待的奖励时，蓝斑核会释放出大量的去甲肾上腺素。



在随后的试验中，当小鼠不确定是否会获得奖励时，它推动杠杆的可能性要小得多。小鼠在不断调整它的行为，即使它已经学会了这项任务，它也会根据它刚刚完成的工作来调整自己的行为。



同样，当小鼠得到到意想不到的奖励时，它们在试验中表现出去甲肾上腺素的爆发。这些爆发似乎将去甲肾上腺素扩散到大脑的许多部位，包括前额叶皮层，而前额叶皮层是制定计划和其他高级认知功能发生的地方。





图片来源：123RF



与此相比，蓝斑核的编码意外事件的功能似乎在大脑中更为普遍。这可能是有道理的，因为我们所做的一切都受到意外事件的影响。



研究人员现计划探索去甲肾上腺素和其他神经调节剂之间可能的协同作用，尤其是多巴胺，因为多巴胺也会对意想不到的奖励做出反应。他们还希望更多地了解前额叶皮层如何存储由蓝斑核输入的短期记忆，以帮助动物在未来的试验中提升表现。



参考资料：
[1] [1] How the brain responds to surprising events. Retrieved June 1, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/954217
[2] Vincent Breton-Provencher, et al. (2022) Spatiotemporal dynamics of noradrenaline during learned behaviour. Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-04782-2

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去甲肾上腺素
奖励
蓝斑核
神经调节剂

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