在神经系统中负责传递信息的物质丰富多元，这些“信使”被称为神经递质。不同神经递质扮演着不一样的角色。但在所有神经递质中，多巴胺占据了一种近乎“神”一般的地位。
几十年的研究已经证实，这种物质对数种看似并无关联的大脑功能都具有重要贡献。它是一种著名的“欲望分子”，和我们大脑中关于奖励和愉悦感的机制密切相关，它还对我们控制运动行为的能力至关重要。事实上，它参与着大脑认知加工的诸多方面。
这也向我们提出了一个更关键的问题：一种神经递质是怎么做到如此“贪婪”地影响了多个方面的大脑活动，它究竟是如何发挥出这么多种作用的？
解开多巴胺的多种角色之谜一直是一个不小的挑战，部分原因在于，人类和其他哺乳动物的高级脑中包含不同种类的多巴胺神经元，它们都嵌在极为复杂的回路中。
在一项新研究中，神经科学家Vanessa Ruta和团队深入研究了这个问题，但他们巧妙地选择了更为简单的果蝇的脑。这种生物的神经元及其连接已经被详细绘制。
团队发现，多巴胺作用的两个不同方面，也就是学习和动机之间，似乎存在着密切联系，并揭示了一条多巴胺通路是如何同时发挥两种功能的。研究已于近日发表在《自然·神经科学》上。
气味对果蝇至关重要。果蝇脑中的嗅觉学习中心被称为蕈状体，在这里，三种类型的神经元聚集在一起，分别是对气味做出反应的Kenyon细胞，向大脑其他部分发送信号的输出神经元，还有产生多巴胺的神经元。
黑腹果蝇的脑部。蕈状体是图中类似手柄形状的部位。｜图片来源：Jenett et al., 2006
蕈状体负责“教会”果蝇对气味的联想。和人类一样，果蝇的多巴胺神经元能提供一种学习信号，帮助它们将某种特定的气味与特定的结果关联在一起。
当果蝇闻到一种气味，然后得到了糖的奖励时，多巴胺的快速释放会改变蕈状体神经元之间的连接强度，这会帮助果蝇建立起新的联想，并改变果蝇未来对这种气味的反应。这可以看作一种指导性的“长期教学”活动，比如，果蝇学习到了苹果醋中含有美味的糖，就能帮助塑造它们下次再闻到苹果醋气味时的行为。
但团队同时注意到，即使在没有奖励的情况下，多巴胺仍在不断发出信号。和学习有关的相同多巴胺神经元也与动物的行为密切相关，在移动时也会频繁放电。这就带来了一个问题，这些神经元是表征了运动的某些特定方面（比如果蝇的腿怎么动），还是与其他方面有关（比如果蝇移动的目标）？
为了找到答案，研究小组开发了一个虚拟现实系统，在这个系统中，果蝇可以在一个嗅觉环境中探索，在一个类似跑步机的小球上行走，同时，头上的显微镜监控着它们的脑部活动。
研究人员记录下了当果蝇接受一滴蔗糖时，它们蕈状体中神经元的活动（下）。｜图片来源：Rockefeller University
一股气流会通过一根小管吹出一阵气味。当果蝇闻到这股诱人的气味，比如苹果醋的味道时，它就会重新定向，并开始逆风向源头移动。
利用这个系统，研究人员能够监测果蝇在不同条件下的大脑活动。他们发现，只有当果蝇进行有目的的追踪时，多巴胺神经元的活动能密切地反映了正在发生的运动，但当它们漫无目的地“闲逛”时却并非如此。
这些多巴胺神经元的活动不仅编码了运动的机制，而是实时反映了果蝇行为背后的动机或目标。当研究人员抑制了多巴胺神经元的活动时，这些小家伙会减少对气味的追踪活动，即使在它们饥肠辘辘的情况下，也就是对食物有关的气味更有兴趣的时候也是如此。与之相反的是，激活那些已经“酒足饭饱”、对食物并无兴趣的果蝇体内的神经元，则会促使它们积极地追寻气味。
总的说来，研究结果揭示出了一条多巴胺通路发挥两种功能的机制：它既提供了指导性信号，通过学习指导未来的行为。同时，它也传递了动机信号，从而快速地塑造正在进行的行为。
换句话说，同样的多巴胺神经元，既负责“长期教学”，又带来了一种时时强化，鼓励果蝇继续进行有益的行为。
这一结果让我们对单一的通路如何产生不同形式的灵活行为有了更深的理解。研究人员表示，下一步是了解它们与其他神经元之间的“配合”和“沟通”，比如，其他神经元要怎么知道，多巴胺在任意时刻的激增意味着什么。
Ruta表示，一种可能性是，学习是一种比通常认为的更持续、更动态的过程。在较短的时间尺度上，动物进行每一步时都在不断评估自己的行为，它们不仅学习到了最终的联想，还学习着引导它们达到最终目标的每一步行动。
发表于 2021-10-31 17:41
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