今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表了一項(xiàng)重量級(jí)的研究：來(lái)自Salk研究所的Xin Jin教授團(tuán)隊(duì)利用小鼠模型，揭示了大腦控制行為的潛在方式。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也回答了幾十年來(lái)的一大爭(zhēng)論，對(duì)神經(jīng)科學(xué)具有重要的意義。

▲本研究的通訊作者Xin Jin教授與第一作者Claire Geddes博士（圖片來(lái)源：Salk Institute）

我們知道，動(dòng)物的行為有著復(fù)雜的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)，但我們對(duì)背后的機(jī)理卻知之甚少。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們學(xué)會(huì)系鞋帶時(shí)，我們大腦中的紋狀體會(huì)指揮一系列動(dòng)作——我們先要蹲下，抓起鞋帶，再打上一個(gè)牢固的結(jié)?？雌饋?lái)簡(jiǎn)單無(wú)比的幾個(gè)動(dòng)作，卻難倒了許多神經(jīng)科學(xué)家。一部分科學(xué)家們認(rèn)為，這些動(dòng)作之間只是簡(jiǎn)單的觸發(fā)關(guān)系。這就像多米諾骨牌一樣，前一個(gè)動(dòng)作的發(fā)生，觸發(fā)了后一個(gè)動(dòng)作；但另一些科學(xué)家們則不這么看。他們相信行為也許有一個(gè)更為復(fù)雜的組織框架，就好像是項(xiàng)目的流程圖一樣，有著多層調(diào)控。

“幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論，大腦如何控制行為，”該研究的負(fù)責(zé)人Xin Jin教授說(shuō)道：“使用光遺傳學(xué)，我們能利用光來(lái)控制腦細(xì)胞的活性，并從而改變動(dòng)物個(gè)體原本想要執(zhí)行的行為。這些結(jié)果表明，行為受到了非常精準(zhǔn)的神經(jīng)控制。”

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們首先教會(huì)了小鼠一套“舞步”。在飼養(yǎng)小鼠的籠子中，科學(xué)家們一左一右裝上了兩根杠桿。如果小鼠按“左-左-右-右”的順序按下這些杠桿，就會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。

▲同樣是“左-左-右-右”的舞步，研究人員們有兩種不同的解釋?zhuān)▓D片來(lái)源：Salk Institute）

在這些小鼠學(xué)習(xí)“舞步”的過(guò)程中，科學(xué)家們也沒(méi)忘記對(duì)它們的大腦進(jìn)行監(jiān)控。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠按下杠桿時(shí)，大腦中的D1與D2神經(jīng)元得到了激活。它們?cè)诩y狀體中占了細(xì)胞的大多數(shù)，且對(duì)于行為的學(xué)習(xí)與執(zhí)行有著潛在的作用。

會(huì)不會(huì)是這些神經(jīng)元決定了小鼠的行為呢？為了回答這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們使用光遺傳學(xué)技術(shù)或是白喉毒素，分別去激活和抑制這些神經(jīng)元。而這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，揭示了D1和D2神經(jīng)元對(duì)于行為的重要控制作用。

當(dāng)他們激活D1神經(jīng)元時(shí)，小鼠會(huì)額外按下一次杠桿。而當(dāng)D2神經(jīng)元被激活時(shí)，小鼠則會(huì)“跳過(guò)”下一個(gè)按杠桿的動(dòng)作。通過(guò)調(diào)控這兩類(lèi)神經(jīng)元，科學(xué)家們闡明了大腦如何將行為順序進(jìn)行整理和學(xué)習(xí)。

▲研究人員們揭示了大腦調(diào)控行為的復(fù)雜方式（圖片來(lái)源：《細(xì)胞》）

“神經(jīng)元就像是雪花一樣（沒(méi)有兩片是相同的），”該研究的第一作者Claire Geddes博士說(shuō)道：“D1和D2神經(jīng)元有類(lèi)似的模式，但它們做的工作并不一樣。它們用復(fù)雜的模式一同工作，控制行為。”

綜合這些研究結(jié)果，科學(xué)家們指出，大腦可能有著三層調(diào)控機(jī)制。最低的一層按順序執(zhí)行行為，最高的一層只在行為開(kāi)始和結(jié)束時(shí)有所參與，而中間一層則在每個(gè)步驟的轉(zhuǎn)化時(shí)激活神經(jīng)元。為了便于我們理解，Salk研究所的新聞報(bào)道里還給我們做了一個(gè)類(lèi)比：最低一層調(diào)控就像是低級(jí)的管理人員一樣，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的每個(gè)細(xì)節(jié)；最高一層調(diào)控就好像是公司的高管，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的啟動(dòng)和完成。而中間一層就好比是中級(jí)管理人員，在兩者之間充當(dāng)溝通者。

研究人員們表明，他們的工作揭示了神經(jīng)行為細(xì)微而又復(fù)雜的一面，有助于解釋為何我們能靈活地執(zhí)行學(xué)到的行為。“我對(duì)這項(xiàng)成果表示興奮，它解決了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于行為神經(jīng)學(xué)的一個(gè)根本問(wèn)題的爭(zhēng)論，” Xin Jin教授評(píng)論道：“此外，我們發(fā)現(xiàn)了不同類(lèi)型的細(xì)胞如何影響我們的行為，這為許多神經(jīng)疾病的治療提供了新的洞見(jiàn)。”

我們期待這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)能早日轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新療法。到了那一天，諸如強(qiáng)迫癥等無(wú)法控制行為的疾病，或許將不再成為困擾。

參考資料：

[1] Optogenetic Editing Reveals the Hierarchical Organization of Learned Action Sequences

[2] How the office org chart in your brain helps to organize your actions

原標(biāo)題：Cell重磅：華人學(xué)者也許找到了大腦運(yùn)作的真正方式