Science解開長期謎題：破譯血清素在我們大腦中的作用
摘要：新研究在大腦如何權衡這些眾多的日常決定以及神經遞質血清素扮演什么角色的進化細節這個大話題上提供了令人著迷的發現。
在我們的日常生活中，我們不斷地做出一系列決定，從眼前的事情到遙遠的前景。但是，我們的大腦如何權衡這些眾多的日常決定以及神經遞質血清素扮演什么角色的進化細節一直籠罩在神秘之中。
現在，由渥太華大學醫學院跨學科團隊領導的一項新研究在這個大話題上提供了令人著迷的發現，并有可能揭開我們神經系統異常復雜的血清素系統在我們大腦這個神秘器官內真正發揮作用的一個隱藏方面。
圖1 血清素系統中價值的前瞻性編碼發表在《自然》（Nature）雜志上的這項研究是一項極具影響力的國際合作，一位專家評審認為，這項研究“在神經科學、心理學和精神病學領域具有廣泛的意義，增強了我們對血清素在情緒調節、學習和動機行為中的作用的理解”。
該團隊的創新工作將強化學習（RL）理論（用于神經科學，以更好地理解學習、行為和決策）的思想與最近來之不易的對大腦中縫背核過濾特性的見解結合起來。這是哺乳動物腦干的一個區域，富含產生血清素的神經元。
血清素通常被描繪成大腦的“快樂化學物質”。選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRIs）等抗抑郁藥物以血清素系統為目標，這是一個價值數十億美元的產業的一部分。然而，5 -羥色胺在神經系統中的確切作用是模棱兩可和令人困惑的：它涉及從情緒和運動調節到食欲和睡眠-覺醒周期的一切。它會被痛苦、快樂和驚喜激活，這一事實長期以來一直是一個大腦研究難題。
通過這項研究，渥太華大學領導的研究人員提出了一個關于血清素的統一觀點，他們稱之為“價值的預期代碼”——一種大腦如何為未來獎勵設定價值的生物代碼。這個代碼從本質上解釋了為什么大腦中的血清素神經元在對獎勵和懲罰做出反應時都被激活，并且偏愛令人驚訝的獎勵。
“我們的研究提出了這樣一個問題：血清素告訴大腦什么？簡而言之，我們發現它的信息與對未來回報的期望密切相關，”資深作者Richard Naud博士說，他是醫學院細胞與分子醫學系和渥太華大學物理系的副教授。
研究報告的合著者、細胞和分子醫學系教授Jean-Claude Béïque博士將主要發現總結如下：“當你與不斷變化的世界互動時，你的大腦需要計算你所考慮和采取的行動的預期價值，并詢問‘在特定環境下，這個決定與那個決定的價值是什么？這是一個難題。因此，我們認為血清素在大腦中的實際作用是編碼特定環境或行動過程的期望值，以最終指導日常決策。”
最初的火花
這個想法的萌芽始于幾年前渥太華大學醫學院（uOttawa Faculty of Medicine），當時還是Naud實驗室博士生的第一作者Emerson Harkin在研究血清素神經元的生物物理特性時，開始模擬強化學習模型。Harkin博士于2023年底完成了他在渥太華大學的博士學位，并于2024年3月獲得了學位。他說，這個核心想法是“半偶然”產生的。
在投入大量時間和精力研究產生血清素的腦細胞的電特性后，他和渥太華大學醫學院的導師們開始密切關注其他實驗室的發現，這些實驗室專注于測量動物在經歷獎勵和懲罰時血清素神經元的活動。他說，雖然整體情況非常令人困惑，但他們那時才意識到，他們可能正在追逐一些有希望的東西。
圖2 價值前瞻性編碼的簡化模型解釋血清素神經元對短期獎賞與懲罰的響應機制
“似乎沒有人考慮到5 -羥色胺神經元可能會被動物周圍環境的變化激活，比如獎勵即將到來的信號的開始或懲罰的結束，”Harkin博士說，他指的是用小鼠模型進行的實驗室實驗。“當我們通過顯微鏡和電極觀察這些先前的結果時，許多以前看起來令人困惑或矛盾的結果突然開始融合在一起。”
Harkin博士目前在德國馬克斯·普朗克生物控制論研究所（Max Planck Institute for Biological Cybernetics）做博士后，他斷言，這些發現表明，血清素系統的很大一部分作用是向“大腦的其他部分傳遞一個信息：‘這是我們對你不久的將來會有多好的最佳猜測，這是這個猜測改善的速度。’”
計算神經科學專家Naud博士深入研究了該理論極其復雜的數學問題，他解釋說，在過去幾年中，隨著合作團隊通過“大量閱讀、大量討論、大量思考”對工作進行微調，最初的想法發生了相當大的變化。
下一個步驟
展望未來，研究小組的目標是研究血清素在行為中的作用，試圖弄清楚大腦的其余部分是如何處理神經遞質信息的。Naud博士說，也許找到在框架上運用強化學習理論的方法可以幫助他們做到這一點。
有趣的是，Naud博士的神經科學研究經常對學習和記憶理論產生影響，這些理論可以為人工智能（AI）的未來發展提供信息。他認為，該團隊剛剛發表在《自然》雜志上的研究似乎表明了神經系統的特殊性。
“在某種程度上，我覺得研究小組的發現表明，大腦的工作方式與機器不同。如果我們干擾機器中的獎勵信號，它就會做很多大腦中的干擾做不到的事情，”他說。
參考資料
[1] A prospective code for value in the serotonin system
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