5-羟色胺加速学习

由葡萄牙Chanalimaod未知中心（Champalimaud Centre for the Unknown，CCU）、和英国伦敦大学学院（UCL）等研究人员组成的国际团队发现5-羟色胺（serotonin）对学习具有前所未知的影响力。他们的研究结果发表在6月26日的《Nature Communications》杂志。

　　

5-羟色胺是神经细胞相互作用的主要化学物质之一，其对行为的影响尚不清楚。很长一段时间以来，神经科学家们逐渐勾勒出了有关5-羟色胺在脑内实际功能的综合理论。但是，确定5-羟色胺的具体功能，尤其对学习能力来说，是很有挑战性的。本文作者开发了一个新数学模型找到了问题的答案。

“该研究发现，5-羟色胺提高了学习速度”，项目领导者之一Zach Mainen说。“当5-羟色胺神经元被人工激活时，小鼠在实验人员设置的灵活性挑战试验中更快地找到了最佳行为模式。也就是说，当这些神经元活跃时，它们对新信息给予了更多重视，因而大脑得以快速转换。”5-羟色胺的功能被认为是促进大脑可塑性，这项研究增加了这个想法的权重，而背离了另一种认为5-羟色胺是情绪增强剂的普遍观点。

这一新发现很好地解释了一个医学谜题：为什么一类名为选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（selective serotonin reuptake inhibitors，SSRIs）的抗抑郁药物必须结合行为疗法才更有效，因为，行为策略的强化学习暂时遮挡了抑郁症状。

• 实验设计

小鼠被放在一个小房间里，左右各有一个水壶，水壶的出水概率是指定的，小鼠必须掌握规律完成找水任务。利用伦敦大学学院的Peter Dayan开发的数学工具分析数据时，科学家们发现，小鼠要么立即尝试换一个方向戳水壶，要么等待较长时间再做出新的尝试。

长时间等待通常发生在训练刚开始和一天训练的结束（一连串的试验）。原因可能是，刚进入试验的小鼠注意力比较分散，并不是很投入这项任务，“也许它们还抱有希望从实验小房间里出来的想法，”作者写道。“而最后，因为喝水喝得太饱，没动力再寻求奖励了。”

无论哪种情况，研究小组根据小鼠的每次尝试间隔时间长短发现小鼠采用了两种不同的决策策略以最大限度地获得奖励。

具体来说，当间隔时间较短时，预测动物下一次尝试方向几乎完全取决于结果（出水或不出水），如果水壶出水，它们就立即再戳一次，如果不出水，它们就转向另外一边的水壶，这种策略被称为“胜留败退（win-stay-lose-switch）”。

此时，动物大多依赖“工作记忆”抉择下一步行动，意味着短期记忆一部分与即时感知有关。正是这种记忆让我们能在短时间内快速记住电话号码，当我们不再重复数字时，就会忘记。

另一方面，两次尝试时间间隔在7秒以上时，预测小鼠行为需要根据几次奖励经验积累，也就是长期记忆“输入”，把学到的东西储存到大脑里，比如弹钢琴。

• 5-羟色胺对动物学习能力的影响

CCU团队用光遗传技术手段刺激动物大脑中的5-羟色胺生产神经元，探寻较高水平的5-羟色胺对觅食行为的影响。

当研究人员把所有数据混在一起分析5-羟色胺时，发现它对小鼠行为没有任何显著影响，只有在考虑到上述不同决策方式后，研究人员才从数据中读取到了小鼠学习率的提高。刺激5-羟色胺神经元可以提高小鼠从过去经验中掌握信息的速度和有效性。

“5-羟色胺增强奖励学习，但这种效果只在动物选择性实验数据的一个子集中才得以体现，”Masayoshi Murakami说。

“动物的选择行为竟是由两个不同的决策系统生成的，”Kiyohito Iigaya总结。“过去，大多数试验采用的都是‘快速系统’驱动，即迫使动物不得不使用‘胜留败退’策略。但这种简单的策略无法解释动物所有选择决定。在这些试验中，我们发现了动物在经历多次试验后可能采用的‘慢系统’。此外，5-羟色胺只影响慢系统决策。”

“我们的结果表明，5-羟色胺通过可以提高大脑可塑性，影响学习速度。将SSRIs与认知行为疗法相结合，鼓励患者打破习惯，可令治疗更加有效。”

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原文检索：An effect of serotonergic stimulation on learning rates for rewards apparent after long intertrial intervals

（生物通：伍松）