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[Science文章]Inscopix钙成像显微镜敢于自我革新,才能不断接近心中的目标

发布时间:2022-05-09

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无休止的朝着心中所爱前进,不断的自我革新,以求更接近自己的目标,这本身就很让人着迷,你爱上一件事物,当然不是爱它的成败,你爱的就是它的气质。任何敢于放弃自我,不断革新,为心中的目标不断地改变自己的人,都值得尊敬!
--编者注

我们在日常生活中做的几乎每件事都是有目标的。大脑可以保持一种动机状态来指导行动以达到预期的结果。瑞士巴塞尔大学Andreas Lüthi团队揭示了控制行为动机的神经元机制。这一研究成果于2022年1月7日在Science上发表:A neuronal mechanism for motivational control of behavior。他们在自由移动的小鼠的基底外侧杏仁核中使用Inscopix自由活动钙成像显微镜和光遗传学方法,发现在小鼠的目标导向行为中,基底外侧杏仁核中的神经元整合并编码了追求结果的识别、追求结果的价值和行动-结果的权变信息,从而实现了行为动机的控制。

Science文章-Inscopix揭示目标导向行为背后的神经元机制-封面-滔博生物.png

杏仁核神经环路的成像研究海报-滔博生物.png

摘  要

实现目标的行动取决于激发特定行为的能力,这些行为是基于个体内部状态下的预期结果。然而,编码和维持这种特定动机控制行为的潜在神经元机制尚不清楚。在这项研究中,研究人员在自由运动的小鼠的基底外侧杏仁核中使用Inscopix自由活动钙成像显微镜和光遗传操作,这些小鼠执行无线索的、自节奏的工具目标定向行动来接收和消费奖励。研究发现,不同的神经元活动模式的顺序表示整个行动消费行为序列。与行动有关的模式综合了所追求的目标的特性、价值和期望,而与消费有关的模式反映了经验结果的特性和价值。因此,这些模式之间的相互作用允许维持特定的动机状态,必要的适应性引导行为对预期奖励。
Science文章-Inscopix揭示目标导向行为背后的神经元机制-滔博生物.png

正  文

我们的行动是由我们想要实现的目标所驱动的。然而,我们对大脑中允许我们做出正确决定以达到目标的机制知之甚少。瑞士巴塞尔大学Andreas Lüthi实验室的研究人员现在确定了当小鼠以某种方式获得奖励时,在小鼠大脑中发生的一系列事件,以及当奖励不是预期的时候,它如何适应自己的行为。
想象一下,你每天去面包店只为了买一个特定的面包,然后你发现你喜欢的面包不再在那里卖了,你会停止去那个面包店。这被称为目标导向行为,而杏仁核——大脑中杏仁状的情绪处理中心——被认为与控制这一行为有关。
到目前为止,杏仁核在小鼠的提示导向行为中的作用已经得到研究为,当视觉或听觉提示(如声音)是将要发生的事情的信号(例如,小鼠将会得到一些糖)使小鼠行为以某种方式表现(例如,它要去到笼子中接收糖的地方)。然而,还不清楚杏仁核是如何参与目标导向行为的——小鼠在没有线索的情况下,按照自己的节奏完成目标。
 
Andreas Lüthi小组的博士后Julien Courtin训练小鼠完成一项以目标为导向的任务:在过去的几天里,动物们知道当它们按下一个杠杆时,会收到了一滴蔗糖,当它们按下另一个杠杆时,它们会收到一滴牛奶。一旦动物熟练掌握了这些任务,Courtin就调整实验设置:不需要小鼠按下杠杆就给它们奖励;或者让它们按下杠杆而不给奖励;或者让小鼠只获得一种奖励。
目标导向行为学习过程中的行为跟踪-滔博生物.png
图1 目标导向行为学习过程中的行为跟踪

在小鼠的所有这些不同行为中,Courtin等使用Inscopix自由活动钙成像显微镜记录了它们杏仁核中的神经活动,并与Lüthi实验室的计算神经学家Yael Bitterman一起开发了新的分析方法来破译潜在的神经元代码。
使用Inscopix自由活动钙成像显微镜记录杏仁核神经活动-滔博生物.png
图2 使用Inscopix自由活动钙成像显微镜记录杏仁核神经活动

神经环路预测机制

Courtin和Bitterman是这项研究的共同一作,他们确定了参与这种目标导向行为的各个方面的杏仁核神经元的不同群体。例如,他们发现,当小鼠按下杠杆1以期待奖励1时,一组特定的神经元是活跃的。但一旦杠杆1不再与奖励相关,这组神经元就失去了活动。Courtin说:“神经元群体不是因为小鼠按下杠杆而活跃,而是因为杠杆与奖励的期望有关。当小鼠学会了不再期待奖励时,这个种群消失了。”
小鼠在学习、自由行为、目标导向行为时BLA PNs的Ca2+成像-滔博生物.png
图3 小鼠在学习、自由行为、目标导向行为时BLA PNs的Ca2+成像

值得注意的是,神经元的成像结果显示,在杏仁核中,神经元的活动不但与奖励的类型、大小和发生的可能性有关,还会与它的价值——一个取决于许多因素的灵活参数(例如,小鼠的饥饿程度)。杏仁核将所有这些信息传递到大脑的其他区域,然后这些区域利用这些信息做出适当的决定,并根据可能的奖励调整行为。
不同的BLA PNs编码特定的行为状态-滔博生物.png
图4 不同的BLA PNs编码特定的行为状态

Andreas Lüthi解释说:“只是通过观察杏仁核,Julien和Yael就能够得到小鼠预期奖励的详细图片,以及它需要做什么来得到它。杏仁核会做出预测——如果我做这个,我就会得到那个——它会根据变化调整这些预测。没有其他大脑结构可以如此精确地预测将要发生的事情。”


与人类的相关性

研究人员的发现很容易与人类行为有关。每天,我们都怀着某种期望去执行成百上千的行动。如果期望没有达到,我们就会调整自己的行为——我们改变自己的行为,或更无意或更频繁地改变自己的行为。这项研究在小鼠身上强调的杏仁核中的神经元机制与我们的这些行为是相同的。

能够根据预测调整我们的行为对我们人类来说是至关重要的,但有时这些过程会受到负面影响,例如成瘾、抑郁、强迫症(OCD)或帕金森病。Courtin说:“在这种情况下,我们阐明了大脑中的行为序列可能没有得到适当的调节。这可能成为临床研究的一条途径,挑战在于:当大脑在如此短的时间内发生错误时,我们如何进行干预?”

结  论
研究人员提供了清晰的证据,表明不同的结果特异性和可更新的神经元活动模式之间的相互作用编码并维持了执行适应性、自我启动的行动消费序列所必需的特定动机状态。杏仁核神经元沿着不同的轴分离行为相关信息,如结果认同、价值和期望。因此,此研究引入了特定动机的概念,并扩展了经典观点,即杏仁核通过赋予结果预测感官刺激的价值来控制结果寻求行为。



参考文献:
1. J. Courtin*, Y. Bitterman*, S. Müller,J. Hinz, K. M. Hagihara, C. Müller & A. Lüthi. A neuronal mechanism formotivational control of behavior. Science (7 Jan 2022) Vol 375, Issue 6576

* These authors contributed equally




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