大腦中部的丘腦室旁核（PVT） 圖片來(lái)源：中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

■通訊員 姜天海 本報(bào)記者 潘希

周末該在家看書(shū)還是出去K歌？寒冬將至，該堅(jiān)持健身還是涮個(gè)火鍋？每天，人們都會(huì)面臨上百種選擇。以往，人們認(rèn)為這種選擇理所當(dāng)然。

然而，美國(guó)斯坦福大學(xué)生物系教授陳曉科與中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦所研究員朱英杰日前合作發(fā)現(xiàn)，大腦存在一個(gè)動(dòng)態(tài)評(píng)估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區(qū)——丘腦室旁核（PVT），該腦區(qū)能在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評(píng)估事件重要性，從而幫助人們作出恰當(dāng)選擇。

此前，國(guó)際科學(xué)界普遍認(rèn)為PVT調(diào)控焦慮、恐懼、抑郁等負(fù)性情緒，朱英杰等的這一發(fā)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，顛覆性提出PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念，該成果于10月26日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

“這項(xiàng)重要研究拓展了我們對(duì)丘腦功能的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機(jī)制。該工作將引起腦認(rèn)知和腦疾病研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區(qū)的功能。”美國(guó)三院院士、斯坦福大學(xué)終身教授Robert Malenka向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者評(píng)價(jià)道。

掌管大腦“抉擇”的關(guān)鍵腦區(qū)

人們每時(shí)每刻都會(huì)接受海量信息的轟炸，你為何會(huì)從中抽提出對(duì)你最重要的信息，并據(jù)此作出恰當(dāng)反應(yīng)？

“這是大腦信息處理面臨的一個(gè)基本問(wèn)題。”論文第一作者朱英杰表示。此前，他曾在《自然》雜志上發(fā)表另一項(xiàng)研究成果，首次發(fā)現(xiàn)大腦中存在可以用于戒除毒癮的全新神經(jīng)通路。此次《科學(xué)》發(fā)表的工作正是針對(duì)同一腦區(qū)的再次突破，全面研究PVT的基礎(chǔ)生理功能。

他們利用光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合電生理和光纖記錄技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)在小鼠大腦中存在一群神經(jīng)元能夠編碼外界信息的重要性（即生物學(xué)顯著性）。這些位于大腦中部PVT腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)能夠反映外界刺激的重要性，并且隨內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，從而控制學(xué)習(xí)能力。

“判斷信息重要性是一個(gè)高級(jí)的大腦功能，它能幫助人們更好適應(yīng)多變的環(huán)境，也控制著人們的注意力和學(xué)習(xí)能力。這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)，對(duì)普通人群和腦病患者的認(rèn)知與治療均具有突破性意義。”朱英杰表示。

科研人員通過(guò)小鼠嗅覺(jué)巴浦洛夫條件性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，將不同氣味刺激跟獎(jiǎng)賞（水）或懲罰（吹氣或電擊）偶聯(lián)，發(fā)現(xiàn)PVT神經(jīng)元會(huì)被重要事件激活，無(wú)論獎(jiǎng)懲。

有趣的是，如果在小鼠面前反復(fù)呈現(xiàn)不喜不厭的中性氣味卻沒(méi)有伴隨任何后果，PVT反應(yīng)會(huì)逐漸消失；當(dāng)該氣味與獎(jiǎng)懲偶聯(lián)時(shí)，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映獎(jiǎng)懲的刺激強(qiáng)度。

“這是科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經(jīng)元。”論文通訊作者陳曉科表示。

抑制PVT或可延緩“七年之癢”

朱英杰等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，外界刺激的重要性不僅取決于刺激本身的物理特征，也與動(dòng)物內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境有關(guān)。

例如，當(dāng)饑腸轆轆時(shí)，鼠“以食為天”；當(dāng)它酒足飯飽后，食物的誘惑性就要大打折扣。再來(lái)看外部環(huán)境，即使在饑餓的小鼠前放一塊誘人的奶酪，但若有只貓?jiān)谑澄锱詮堁牢枳Γ�小鼠也�?huì)壓制食欲先去逃命。

他們通過(guò)光纖成像記錄和單細(xì)胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，PVT神經(jīng)元活動(dòng)能根據(jù)內(nèi)外環(huán)境，動(dòng)態(tài)反映動(dòng)物對(duì)重要性的判斷。

同樣是用于獎(jiǎng)賞的水，口渴的小鼠PVT反應(yīng)更大。當(dāng)小鼠處于較弱懲罰時(shí)，水能誘發(fā)較大反應(yīng)；若切換到較強(qiáng)懲罰環(huán)境，水只能激發(fā)較小反應(yīng)。這說(shuō)明PVT活動(dòng)能反映獎(jiǎng)懲的相對(duì)重要性。

此外，他們也發(fā)現(xiàn)了PVT腦區(qū)對(duì)于預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)落空存在動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制。如果每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現(xiàn)一塊奶酪，但有一天奶酪突然沒(méi)了，小鼠的“失落感”也會(huì)激活PVT。

然而，動(dòng)物也具有消退學(xué)習(xí)能力，即它如果習(xí)慣了沒(méi)奶酪，就會(huì)逐漸停止該行為。就好像夫妻的“七年之癢”，如果一直習(xí)慣對(duì)方的存在，PVT反應(yīng)也會(huì)趨于平淡。一旦有外界刺激，又可能重新激活初戀時(shí)的“心跳感”。不過(guò)科研人員也發(fā)現(xiàn)，抑制PVT活動(dòng)，小鼠消退學(xué)習(xí)過(guò)程會(huì)變慢，那是不是說(shuō)，我們也有可能減緩“七年之癢”的速度呢？

有望用于類腦人工智能

在活體動(dòng)物身上進(jìn)行多通道電生理記錄技術(shù)，對(duì)朱英杰來(lái)說(shuō)是頭一遭。小鼠運(yùn)動(dòng)使得電噪音過(guò)大，讓他不得不花一兩個(gè)月到其他實(shí)驗(yàn)室取經(jīng)。

而且，由于他們最開(kāi)始采用的是光纖記錄技術(shù)，無(wú)法達(dá)到單細(xì)胞分辨率，因此又額外花了半年，用分辨率更高的電生理記錄技術(shù)再次驗(yàn)證該現(xiàn)象。但也正是這些努力，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更為精巧，工作更具系統(tǒng)性。

“朱英杰等人報(bào)道了一系列非常漂亮的實(shí)驗(yàn)，這些卓越并且激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了PVT在編碼顯著性和控制聯(lián)想學(xué)習(xí)效果上的重要作用。在這篇優(yōu)秀的論文中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常優(yōu)雅，結(jié)果和展示都非常清楚。讓讀者在對(duì)這一神秘腦區(qū)功能的理解上邁出了重要的一步。”審稿人對(duì)文章作出一致高度評(píng)價(jià)。

近年來(lái)，腦科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。朱英杰等的工作正是對(duì)PVT腦區(qū)的“讀”與“控”。

通過(guò)調(diào)控PVT腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，他們發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)神經(jīng)元活性控制著小鼠的學(xué)習(xí)能力。當(dāng)利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制PVT活動(dòng)后，偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損，表明PVT活動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)能力的重要性。

“未來(lái)我們將進(jìn)一步研究，可否通過(guò)增強(qiáng)PVT活動(dòng)提高人們的注意力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)用打開(kāi)一扇窗口。”朱英杰表示。

此外，研究大腦如何動(dòng)態(tài)評(píng)估外界信息重要性的內(nèi)在機(jī)制，也將為未來(lái)發(fā)展類腦智能，增強(qiáng)腦機(jī)融合，推動(dòng)人工智能技術(shù)的跨越發(fā)展帶來(lái)啟發(fā)。