《Nature Neuroscience》多巴胺的“多重身份”是如何实现的？

研究人员在研究果蝇时问：单一的大脑化学物质是如何协调学习、动机和运动等多种功能的呢？

　　

   

   

视频:当果蝇接受一滴蔗糖时，研究人员记录了大脑嗅觉学习中心神经元的活动。

资料来源:洛克菲勒大学神经生理学和行为实验室

在大脑中的神经递质中，多巴胺获得了近乎神秘的地位。几十年的研究已经确定了它对一些看似无关的大脑功能的贡献，包括学习、动机和运动，这提出了一个问题，即单一的神经递质如何能发挥如此多的不同作用。

解开多巴胺的各种功能一直是一个挑战，部分原因是人类和其他哺乳动物的高级大脑包含不同种类的多巴胺神经元，它们都嵌入在高度复杂的回路中。在一项新的研究中，洛克菲勒的Vanessa Ruta和她的团队通过观察果蝇简单得多的大脑来深入研究这个问题，果蝇的神经元和它们的连接已经被详细绘制出来。

和人类一样，果蝇的多巴胺神经元提供学习信号，帮助它们将特定的气味与特定的结果联系起来。例如，了解到苹果醋中含有糖，有助于塑造动物在下次遇到这种气味时的行为。但Ruta的团队发现，同样的多巴胺神经元也与动物的持续行为密切相关。这些多巴胺神经元的活动并不是简单地编码运动机制，而是似乎反映了果蝇实时行动的动机或目标。换句话说，给予动物长期教训的多巴胺神经元同时也提供时时刻刻的强化，鼓励果蝇继续有益的行为。

“学习和动机之间似乎有密切的联系，这是多巴胺作用的两个不同方面，”Ruta说，他在《Nature Neuroscience》上发表了这项发现。

持续学习

气味对果蝇来说很重要。大脑中负责嗅觉学习的中心，称为蘑菇体，负责教它们哪些气味代表美味的糖。在那里，三种类型的神经元聚集在一起:对气味作出反应的凯尼恩细胞，向大脑其他部分发送信号的输出神经元，以及产生多巴胺的神经元。当果蝇遇到一种气味并获得糖奖励时，多巴胺的快速释放会改变蘑菇体神经元之间连接的强度，从本质上帮助果蝇建立新的联系，并改变它未来对这种气味的反应。

但是Ruta和她的同事们已经注意到，即使在没有奖励的情况下，多巴胺也在持续发出信号。帮助果蝇学习联想的神经元也在动物移动时频繁活跃。“这提出了一个问题，这些神经元是代表运动的特定方面，比如动物如何移动腿，还是与其他东西有关，比如动物的目标?”Ruta说。

为了找到答案，该团队开发了一个虚拟现实系统，在这个系统中，果蝇可以在嗅觉环境中导航，在一个类似跑步机的球上行走，同时它们的大脑活动由头顶上的显微镜监控。一股空气通过一个小管散发气味。当果蝇闻到一股诱人的气味，比如苹果醋，它就会重新调整方向，开始逆风向源头移动。

使用这个系统，研究人员能够检查果蝇在不同条件下的大脑活动。他们发现，多巴胺神经元的活动密切地反映了正在发生的运动，但只有当果蝇进行有目的的跟踪时，而不是当它们只是四处游荡时。

当研究人员抑制多巴胺神经元的活动时，动物对气味的追踪就会减弱，即使是在饥饿的时候，它们也会因此对食物相关的气味产生更高的兴趣。相反，激活对食物漠不关心、饱食的果蝇的神经元，促使它们主动追逐气味。

总之，这些发现揭示了多巴胺通路如何执行两种功能:传递激励信号以迅速塑造正在进行的行为，同时提供指导性信号以通过学习指导未来的行为。Ruta说:“这让我们对单一路径如何产生不同形式的灵活行为有了更深的理解。”

下一步是了解其他神经元如何知道在任何给定时间多巴胺的爆发意味着什么。Ruta说，一种可能是，学习是一个比通常认为的更连续、更动态的过程:在很短的时间尺度上，动物不断地评估他们每一步的行为，不仅学习最终的关联，还学习导致达到目的的行动。

10.1038/s41593-021-00929-y