Nature:刷新了传统认知!蔡欣童/刘长亮等揭示多巴胺快速波动既不调控运动、也不编码奖赏

科技   2024-11-21 18:32   广东  
来源:BioArt
多巴胺DA)一直以来都是最为热门的神经调质。一方面,DA在运动控制中不可或缺,一旦DA神经元大量死亡,人就会难以控制自身的运动,患上著名的帕金森氏病(第二大神经退行性疾病)。另一方面,DA还与奖赏、成瘾、学习等高度相关。我们脑内的DA水平时刻处于动态调节中, 然而,这种波动究竟是DA编码的方式还是仅仅是脑活动的副产物却一直存在争议。

近日,哈佛医学院Pascal Kaeser团队在Nature上发表了文章Dopamine dynamics are dispensable for movement but promote reward responses,系统研究了脑内多巴胺(DA)快速波动与生理功能的因果关系。研究表明:DA的存在对于运动和学习必不可少,但DA的快速波动似乎并不重要【1】。



与大部分的神经递质一样,DA主要是通过囊泡释放的,而囊泡的释放往往需要动作电位来介导。DA神经元有两种放电模式:在没有外界刺激的情况下,大部分DA神经元就能够以0.2–10 Hz的频率自发产生动作电位。这种放电活动有极强的随机性,即在任意时刻总有少量神经元在放电和释放DA,这在宏观上维持了脑内DA的水平,被称为电紧张性释放(tonic release)。而有外界输入的时候,大量DA神经元会被同步激活,在其末梢快速释放DA,形成瞬时的DA水平增高,称为相位释放(phasic release)【2】。


由于相位释放比较容易观测到而且看起来更像是某种“事件”,这天然地引发了更多的关注。大量研究表明DA的波动与运动,奖赏学习等高度相关【3-6】。然而相关性并不代存在表因果关系。要研究该问题,需要某种方法将DA水平和DA波动进行拆分。然而,由于二者均与放电活动高度相关且互相影响,之前的努力均收效甚微。为规避该问题,研究人员将干预目标锁定在了DA囊泡释放机器上。DA的囊泡释放高度依赖其轴突上的活跃区(active zone)【7】,当把活跃区的两个关键蛋白RIM1和RIM2敲除后, DA囊泡仍然能够维持一定的释放活动但却对动作电位彻底失去了响应。此时动物脑内维持了相当的DA水平,其DA神经元的电活动也未受影响,但DA的波动却几乎完全消失。


由于DA的相位释放往往被认为能够门控运动的发起【3,4】,作者首先聚焦在运动能力的评价上。结果却发现虽然阻断DA受体可以使动物彻底丧失运动能力,消除DA波动却对动物的运动速度,距离,协调性和运动学习方面没有产生任何影响。临床上一线抗帕金森药是一种称为左旋多巴(L-DOPA)的药物,它是DA的前体,进入脑内后代谢成DA发挥药效。由于帕金森病人脑内的DA神经元大量死亡,难以有效代谢L-DOPA, 主流观点认为脑内其它单胺类神经元(如5-HT等)可能将L-DOPA代谢成DA进行释放,一定程度上恢复脑内DA信号传导和波动水平。作者对这种假说也进行了验证,结果表明L-DOPA可以造成了脑内DA水平的快速上升并迅速改善运动能力,但并未发现脑内产生任何形式的DA波动。这些证据表明对于运动而言,DA的存在非常重要,但DA的波动并非必需。这些证据清晰地表明DA的相位释放与运动发起之间并不存在因果关系。


DA的另一重要作用是在强化学习过程中编码了奖赏预测误差(Reward Prediction Error, RPE)。即DA的波动取决于预期与实际结果的误差。如结果好于预期则DA释放增强,相关神经网络的联系得到加强,如结果坏于预期,DA释放减弱,相关神经网络联系减弱【6】。神经系统在这种反复迭代的过程中进行重塑达最终在宏观尺度上达到趋利避害的效果。为验证DA波动在该过程中的角色,作者测试了敲除鼠的强化学习能力, 发现即使DA波动消失,没有产生反馈的奖赏误差,动物也仍然学会了测试范式。但进一步的研究也表明没有DA波动的鼠对奖赏的反应明显降低且缺乏实施动力。这些结果说明DA的波动参与了强化学习过程但并非不可或缺。


这篇文章的研究说明DA波动既不调控运动,也不编码奖赏信息。刷新了传统认知也引出了更多的问题。比如在动作电位依赖的DA释放被阻断后,紧张性释放和相位释放都消失了,DA是如何释放出来的?如果DA的波动编码的是行动的动力,那么奖赏信息又是如何编码的呢?小鼠为什么缺失了DA波动后学习能力没有受到影响?DA这一迷人的神经调质还有很多相关谜题待人揭开。


本文第一作者为蔡欣童博士(现哈佛医学院博后)和刘长亮博士(现西湖大学研究员)。该研究也得到了哈佛大学Naoshige Uchida组和北京大学的李毓龙组的帮助。



西湖大学刘长亮组致力于神经通讯原理,调质系统编码规则和新型药物发现技术的研究,长期招聘博后,科助和访问学生。详情请参见:

https://changliangliu-lab.com/


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08038-z


参考文献
1. Cai, X. et al. Dopamine dynamics are dispensable for movement but promote reward responses. Nature 1–9 (2024) doi:10.1038/s41586-024-08038-z.
2. Liu, C., Goel, P. & Kaeser, P. S. Spatial and temporal scales of dopamine transmission. Nat Rev Neurosci 22, 345–358 (2021).
3. Howe, M. W. & Dombeck, D. A. Rapid signalling in distinct dopaminergic axons during locomotion and reward. Nature 535, 505–510 (2016).
4. Silva, J. A. da, Tecuapetla, F., Paixão, V. & Costa, R. M. Dopamine neuron activity before action initiation gates and invigorates future movements. Nature 554, 244–248 (2018).
5. Tang, J. C. Y. et al. Dynamic behaviour restructuring mediates dopamine-dependent credit assignment. Nature 1–3 (2023) doi:10.1038/s41586-023-06941-5.
6. Schultz, W. Dopamine reward prediction-error signalling: a two-component response. Nat. Rev. Neurosci. 17, 183–195 (2016).
7. Liu, C., Kershberg, L., Wang, J., Schneeberger, S. & Kaeser, P. S. Dopamine Secretion Is Mediated by Sparse Active Zone-like Release Sites. Cell 172, 706-718.e15 (2018).

阅读最新前沿科技研究报告,欢迎访问欧米伽研究所的“未来知识库”


未来知识库是“欧米伽未来研究所”建立的在线知识库平台,收藏的资料范围包括人工智能、脑科学、互联网、超级智能,数智大脑、能源、军事、经济、人类风险等等领域的前沿进展与未来趋势。目前拥有超过8000篇重要资料。每周更新不少于100篇世界范围最新研究资料欢迎扫描二维码或点击本文左下角“阅读原文”进入。



截止到10月25日 ”未来知识库”精选的100部前沿科技趋势报告


1. 牛津大学博士论文《深度具身智能体的空间推理与规划》230页

2. 2024低空经济场景白皮书v1.0(167页)

3. 战略与国际研究中心(CSIS)人类地月空间探索的总体状况研究报告(2024)

4. 人工智能与物理学相遇的综述(86页)

5. 麦肯锡:全球难题,应对能源转型的现实问题(196页)

6. 欧米伽理论,智能科学视野下的万物理论新探索(50页报告)

7. 《美国反无人机系统未来趋势报告(2024-2029 年)》

8. Gartner 2025 年主要战略技术趋势研究报告

9. 2024人工智能国外大模型使用手册+中文大模型使用手册

10. 详解光刻巨人ASML成功之奥妙-241015(94页)

11. CB Insights:未来变革者:2025年九大科技趋势研究报告

12. 国际电信联盟2023-2024年联合国人工智能AI活动报告388页

13. 《人工智能能力的人类系统集成测试和评估》最新51页,美国防部首席数字和人工智能办公室(CDAO)

14. 2024瑞典皇家科学院诺贝尔化学奖官方成果介绍报告

15. MHP:2024全球工业4.0晴雨表白皮书

16. 世界经济论坛白皮书《AI价值洞察:引导人工智能实现人类共同目标》

17. 瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖科学背景报告资料

18. AI智能体的崛起:整合人工智能、区块链技术与量子计算(研究报告,书)

19. OpenAI o1 评估:AGI 的机遇和挑战(280页)

20. 世界知识产权组织:2024 年全球创新指数(326页)

21. 美国白宫:国家近地天体防御策略与行动计划

22. 【CMU博士论文】持续改进机器人的探索,243页

23. 中国信通院:量子计算发展态势研究报告2024年58页

24. 2024年OpenAI最新大模型o1革新进展突出表现及领域推进作用分析报告

25. 【新书】通用人工智能,144页

26. 联合国:《未来契约》、《全球数字契约》和《子孙后代问题宣言》三合一

27. 世界气候组织:2024团结在科学中,守卫地球系统的未来

28. 世界经济论坛 《量子技术助力社会发展:实现可持续发展目标》研究报告

29. 人工智能科学家:迈向全自动开放式科学发现

30. 欧盟:石墨烯旗舰项目十年评估报告

31. 美国信息技术和创新基金会:美国的数字身份之路研究报告

32. 麦肯锡:2024能源转型挑战未来研究报告

33. 联合国贸易与发展会议:2024世界投资报告

34. 兰德:评估人工智能对国家安全和公共安全的影响

35. 兰德:2024评估人工智能基础模型市场的自然垄断条件

36. 经合组织:2015-2022 年生物多样性与发展融资

37. ITIF:中国半导体创新能力研究报告

38. 英国皇家学会:数学未来计划, 数学和数据教育的新方法研究报告

39. 欧盟:10年人类大脑计划创新评估报告

40. GLG格理集团:2024深度解读半导体行业关键趋势和专家洞见报告15页

41. 华为智能世界2030报告2024版741页

42. 联合国:2024为人类治理人工智能最终报告

43. 达信Marsh:2024全球科技产业风险研究报告英文版27页

44. 鼎帷咨询:2024英伟达人工智能发展战略研究报告149页

45. 【博士论文】大语言模型的测试与评价:准确性、无害性和公平性,223页pdf

46. 麦肯锡:2024世界能源产业展望

47. 世界经济论坛《太空:全球经济增长的 1.8 万亿美元机遇》

48. 世界经济论坛:世界“技术先锋”名单100家公司名单

49. 世界经济论坛:2024绘制地球观测的未来:气候情报技术创新

50. 核聚变技术作为清洁能源供应替代来源的全球发展和准备情况

51. 大模型生成的idea新颖性与人类对比研究报告(94页)

52. IQM :2024 年量子状况报告

53. 2024十大新兴技术研究报告

54. 2024地球观测 (EO) 洞察带来的全球价值(58页)

55. 2023-2024世界基础设施监测报告

56. 世界银行:2024世界发展报告,中等收入陷阱

57. 2024国际前沿人工智能安全科学报告132页

58. 斯坦福大学2024人工智能指数报告

59. 美国总统科学技术顾问委员会:《利用人工智能应对全球挑战》63页报告

60. 柳叶刀行星健康:2024地球系统安全与健康评估报告

61. 中国未来50年产业发展趋势白皮书III

62. OpenAI o1系列产品原理与安全最新研究报告(80页)

63. 国家互联网信息办公室:国家信息化发展报告2023年110页

64. 埃森哲:2024年风险研究报告-重大颠覆需要持续重塑英文版39页

65. 36氪研究院:2024年中国城市低空经济发展指数报告41页

66. 美国信息技术与创新基金会:《中国在量子领域的创新能力如何》研究报告

67. 理解深度学习500页报告

68. 鼎帷咨询:2024全球人工智能发展研究报告44页

69. 【伯克利博士论文】大型语言模型迈向能够学习和发现一切的机器

70. 《量子技术:前景、危险和可能性》45页报告

71. 英国皇家学会报告:人工智能在科学、技术、工程和数学领域的应用

72. 未来今日研究所:2024世界技趋势报告(980页)

73. 面向大规模脉冲神经网络:全面综述与未来方向

74. 大模型+知识库市场全景报告

75. 《太空力量的理论基础:从经济学到不对称战争》2024最新94页报告

76. CBInsights:2024年第二季度全球企业风险投资状况报告英文版124页

77. 英国科学院:数据管理和使用:21 世纪的治理(2024),99页

78. 兰德智库:展望2045 一项前瞻性研究探讨未来 20 年全球趋势的影响

79. 世界知识产权组织:2024年世界知识产权报告:让创新政策促进发展

80. 全球灾难风险研究所:评估大型语言模型接管灾难的风险

81. 牛津马丁学院:人工智能风险国际科学评估的未来

82. 联合国贸易和发展署:2024世界投资报告

83. 兰德公司:人工智能军事应用的新风险和机遇

84. 英国皇家学会:AI时代的科学发展趋势研究报告

85. 百页风电行业研究方法论:从中国到世界从陆地到海洋-240902,98页

86. 中国信通院发布《大模型落地路线图研究报告(2024年)》

87. 星河智源:2024年无人驾驶技术全景报告35页

88. 星河智源:2024年光刻机技术全景报告37页

89. 人形机器人行业研究方法论:特斯拉领衔人形机器人的从1到N

90. 兰德:展望2045一项关于未来20年全球趋势影响的前瞻性研究报告英文版45页

91. 《军事创新与气候挑战》2024最新152页报告

92. 麦肯锡:2024困难点:驾驭能源转型的物理现实(196页)

93. 《麻省理工科技评论》万字长文:什么是人工智能?

94. 软件与服务行业:从特斯拉智能驾驶看人形机器人发展路径

95. 中国信通院:中国数字经济发展研究报告2024年82页

96. CB Insights:2024年第二季度全球风险投资状况报告 244页

97. 脑启发的人工智能:全面综述

98. 二十年关键技术跟踪报告

99. 中国首部城市大脑系列建设标准(8项)汇编

100. 麦肯锡2024技术趋势展望报告100页


上下滑动查看更多

人工智能学家
致力成为权威的人工智能科技媒体和前沿科技研究机构
 最新文章