面对两难境地 果蝇快速抉择

  国际权威学术期刊《科学》６月２９日以报告形式，发表了中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭爱克院士领导的学习与记忆研究组最新的一项研究成果，其内容是关于多巴胺和蘑菇体环路调控果蝇基于价值的抉择。

  将果蝇作为研究两难抉择的模式动物，郭爱克实验室在国际上是第一家。这份研究报告，不仅证明了果蝇具有面对两难局面的简单“趋利避害”的抉择能力，还初步证明了果蝇脑中蘑菇体结构参与这一过程。为理解脑的这一智能抉择行为提供了更为简约的模型生物和新的抉择方式，也表明基于脑内“价值系统”的抉择行为，并非人类或非人灵长类的“专利”。

  抉择是一个极其复杂的脑过程。抉择是指当一个生物体面对一系列分歧的可选方案时，出于愿望或是最佳的考虑，做出相应的行动，以便获得或避免一定的结果。近年来，尽管脑与认知科学在探索人类或高等动物抉择方面已取得可喜的进展，但是抉择的环路机制及神经计算原理仍是一个挑战性课题。

  郭爱克院士说，６年来的实验研究和理论思考，聚焦在果蝇面临冲突环境时的价值抉择的神经环路机制上。研究证明，果蝇中央脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控果蝇的基于价值的抉择，没有二者共同参与的抉择，是简单的“犹豫不决”的线性抉择过程，而二者的协同运作才使两难抉择成为“当机立断”的非线性抉择。

  研究小组还发现，果蝇有能力完成系列的抉择任务，即在面对新的抉择任务时，果蝇能放弃在应对前一个抉择任务时所做的选择，转而做出新的选择，体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的统一。

  此外，研究表明，果蝇脑中的蘑菇体可能起到类似的“门控”作用，它和多巴胺系统共同实现抉择过程中的“门控”、“聚焦”和“放大”机制，从而导致非线性的陡峭的“Ｓ”形曲线。

  这已是郭爱克领导的研究组自２００１年以来第三次在《科学》上发表研究论文。



当机立断或犹豫不决，原来不是人类的专利。果蝇也会踌躇，懂得权衡利弊，能在两难境地中作出快速抉择。中科院上海生命科学研究院神经科学研究所郭爱克院士领导的学习与记忆研究组，经过6年的深入研究，发现了果蝇的抉择能力及其“法宝”，并期待顺着这一思路找到果蝇能与人类共享的、关于抉择的“奥秘”。国际权威学术期刊《科学》（Science）昨天以报告形式，发表了这一最新研究成果。值得一提的是，这是该研究组自2001年以来第三次在《科学》上发表文章。

        

果蝇轻松趋利避害        

        设定高处目标是果蝇应该盯飞的方向，低处则有红外激光等着“伺候”；设定绿色是正确的颜色选择，蓝色便意味着激光惩罚。在一系列设计周密的实验中，研究人员给被困于飞行模拟器中的果蝇出了一道左右为难的选择题。结果发现，果蝇在4分钟内就有了明确决定，且“思路”清晰：趋利避害——在颜色和高度的“十字路口”选择惩罚力度相对较轻的那条“路”，只有当两种惩罚不相上下，徘徊不定的果蝇才会放弃选择。改变游戏规则，让果蝇再作一次抉择，也没问题——它能顺势“改弦易辙”。

        

多巴胺与蘑菇体联手        

        进一步的基因实验显示，负责果蝇抉择过程的“首席执行官”有两位，除了被视作脑内价值评估、权衡利弊的“神经货币”的多巴胺，还有一直被人们认为是嗅觉记忆中枢的蘑菇体。多巴胺系统的神经末梢，将可能发生的惩罚消息迅速“通知”蘑菇体，它们俩在果蝇脑内仿佛联手构建了神经环路中的一道“门”，给强信号“放行”，把弱信号“扣下”。就这样，果蝇有了明确的抉择。

        

对人脑研究有借鉴        

        人称生命科学“万能钥匙”的果蝇，在探索遗传、发育、暴力、交配、疾病等机制的多种科学实验中十分常见，但很少用作大脑认知的模型。以果蝇为模式动物来研究抉择这一极其复杂的脑过程，郭爱克实验室在国际上是第一家。        

        郭爱克院士指出，如果把果蝇脑内的“多巴胺——蘑菇体”回路，对照人脑中的“多巴胺——前额叶”回路，或许能提出抉择的简约版脑模型，为人类抉择的神经环路原理研究提供某种可能的借鉴。



6月29日，国际权威学术期刊《科学》以报告形式发表了中科院上海生科院神经科学研究所郭爱克院士领导的学习与记忆研究组，关于多巴胺和蘑菇体环路调控果蝇基于价值的抉择的最新研究成果。这是该研究组自2001年以来，第三次在《科学》上发表研究论文。

研究中采用增强子陷阱和上游激活序列（GAL4/UAS）的二元表达系统，在特定的时间阻断蘑菇体和多巴胺神经元的突触递质释放，发现当相互矛盾的两种线索信息相对差别很大时，上述的转基因果蝇还是有能力做出明确选择，而当差别较小时，选择就变得徘徊不定。免疫组化的研究结果显示，多巴胺的纤维深入到蘑菇体中，蘑菇体和多巴胺两个系统的解剖学联系紧密。

此项研究是2001年在《科学》杂志上发表的研究成果的进一步深化，聚焦在果蝇面临冲突环境时的价值抉择的神经环路机制。研究证明：（1）果蝇中央脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控果蝇的基于价值的抉择，没有二者共同参与的抉择是简单的、“犹豫不决”的线性抉择过程，而二者的协同运作才使两难抉择成为“当机立断”的、“胜者独享”的非线性抉择；（2）果蝇有能力完成系列抉择任务，即在面对新的抉择任务时，果蝇能放弃在应对前一个抉择任务时所做的选择，转而做出新的选择，体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的统一；（3）在面对新的抉择任务时，需要蘑菇体结构和多巴胺系统重新快速参与，而一旦进入执行阶段，就不需要它们了。最后，也是最重要的，果蝇脑中的蘑菇体可能起到类似的“门控”作用，它和多巴胺系统共同实现抉择过程中的“门控”、“聚焦”和“放大”机制，从而导致非线性的、陡峭的“S”  形曲线。

通过这些实验，我们期待，果蝇小型化的脑在它的小型认知世界里的简约的抉择行为或许可能提供更多的关于决策的神经环路和基因方面的信息，并可能会有助于理解某些认知和精神活动的基本原理。

该项研究是在郭爱克院士的指导下，由张柯、郭建增、彭岳清、奚望等组成的研究小组联合攻关，历时五年多完成的。研究得到了科技部两个973项目、中科院知识创新工程、基金委重点项目的资助。