抉择是一种生存能力，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，出于愿望或最佳考虑，作出相应行动，以便获得或避免一定的结果。在生物演化的各水平上，在脑功能的各层次上，在人类生活的各领域里，它无时无刻无地不在。所有那些具有复杂神经系统的有机体都不时地面临生存竞争压力所提出的问题：“下一步我该做什么？我该怎么办？”
为什么人们有时会作出正确的抉择，而有时的抉择会失去理智或不合情理？脑怎样处理风险和不确定性问题，以实现奖励或利益最大化等等。这些极为有趣的科学问题吸引了越来越多的科学家加入。“价值”的概念是人类和动物抉择理论的基石。以价值来衡量事物，传统上是经济学的思维。当今在神经科学领域中，一个新的研究方向“神经经济学” （Neuroeconomics）正应运而生，旨在研究抉择的脑过程和神经机制。
一般地讲，探索抉择的脑机制应回答“三问”。一问是，抉择在哪里进行？有没有所谓的“主管抉择的神经元”或“抉择脑结构”来充当“首席执行官”，统领全部的抉择过程？二问是，在抉择过程中，当前的感觉信息输入如何与先前的经验和期望结合起来？三问是，脑怎样从多种可能性中选择出恰当的一种，然后加以执行，它的脑动力学是怎样的？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。
人称果蝇是生命科学的“万能钥匙”，因为它有清晰的
遗传背景（基因组13601基因），简约的神经系统（300000神经元），较短的生命周期，较强的繁殖能力，丰富的行为菜单，方便的基因操作等。它已成为研究遗传、发育、疾病、代谢、节律、成瘾、侵犯、感染、代谢、“同性恋”、神经退行性、学习与记忆等的模式动物。但是，在国际上将果蝇作为研究基于“价值”的抉择的模式动物，郭爱克实验室却是第一家。
6年前，郭爱克实验室开创了果蝇的两难抉择研究，证明了果蝇可以学会根据复合视觉线索，如模式的（颜色／图形）线索来指导它在飞行模拟器上的飞行定向行为。而后，当遇到模式的形状与颜色所表征的“价值”意义出现矛盾时，野生型果蝇可以根据颜色和形状线索的对比或权重，在两种相互竞争的视觉线索之间作出“当机立断”的有利选择。但是有一种突变体果蝇(其脑内的一个叫做蘑菇体的重要结构减小或缺失)和被羟基脲阻断蘑菇体发育的果蝇，其抉择行为变得“犹豫不决”。
这样一来，郭爱克实验室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。尽管与人在极为复杂的情势、风险、紧急和不确定的条件下的决策相比，这里是极为原始、幼稚和萌芽的抉择过程，但是它所提供的元素和信息，对于认识抉择原理毕竟是一个开端，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”。正如达尔文在《物种起源》中所说：“正是从这样的简单开始，才不断地进化为更为完备和更为美妙的形式。”我们人类的抉择过程的复杂性是不可比拟的。它有时要调用我们全部的知识和经验，不仅包括我们在个人的生命旅程中所获取的，还包括人类社会和历史经验所赋予我们的，以及我们这个物种在进化中所获取的。所以，我们人类的抉择需要将“昨天”的知识和经历，“今天”的形势和矛盾，和对“明天”的估计和期望通盘考虑，作出有利的选择。“两利相权取其重，两害相权取其轻”，这是生物智能的共同本质之一。
6年前，我们还不认识导致果蝇抉择的非线性过程的神经机制是什么，为什么抉择曲线为陡峭的“S”型？我们6年来的实验研究和理论思考聚焦在果蝇脑的多巴胺系统和蘑菇体结构。首先，为什么脑内的多巴胺系统对回答上述“三问”是重要的？
已知脑内多巴胺是关键的神经递质和调质，是多种认知功能和精神活动的有力调节者。多巴胺在人们如何面对和评价周围世界的人和事、行为导向、人格、抉择、药物成瘾、金钱、奖励依赖的学习等方面起着决定性作用。它对于生存、生殖和利益竞争具有核心的重要性，是脑内进行价值评估、衡量利弊的“神经货币”。一些实验结果显示，多巴胺介导的强化学习是动物学会作出正确抉择的重要前提。强化学习机制是动物从其行为所产生的后果中学习，因此是研究学习、记忆和抉择等神经机制的重要理论框架。多巴胺系统介导的强化学习理论认为：多巴胺神经元根据实际奖励与奖励预告之间的偏差，来报告奖励与预期的关系。它对奖励是否出现和何时出现具有不确定性敏感。只有当刺激与奖励联合，而奖励又在一定程度上不可预测，刺激才能被学会。比预期好的奖励会带来正方向的学习效果，比预期差的奖励或取消奖励都会使已学到的行为消退。多巴胺在系统水平上的作用类似于聚焦和设限，可以使脑摒除一些不太重要的皮层信号，而专注最重要的事件。它还可以设定动物的唤醒水平，从而决定动物的行为水平。
为什么果蝇的蘑菇体对抉择这样重要？尽管科学家一直确信它是嗅觉记忆中枢，但是，郭爱克实验室的许多研究收敛一致的工作提示，它可能还负责更为复杂的信息处理任务。当我们试图理解复杂的抉择行为的脑机制时，我们不得不面对这样的事实，即组成脑的神经元和胶质细胞本身并没有“好恶”之类的感受。从环路层次来理解抉择具有挑战性。多巴胺信号作为奖励（或惩罚）预警和教师信号，快速地将奖励可能发生“通知”或“广播”给特定的脑结构，而奖励的精确性质则由相应的靶系统加工。例如，当猴子选择大的或多次的奖励时，眶前额叶的神经元看来是对动机价值参数编码并提供给抉择过程。人脑的前额叶在决策计划中起着关键的作用，但并不是说它能单独地决定执行行为的发生，而是担任让大脑对某些信号敏感而对另一些忽略的“门控”角色。由此，我们猜想果蝇脑中的蘑菇体在抉择中也可能扮演类似的角色。
自2001年以来，我们设计了新的视觉（颜色/重心）的抉择范式。果蝇可以学会将热惩罚与复合目标的颜色（蓝或绿）和重心（高或低）信息相关联。尔后，当模式的颜色对调时，颜色和重心所表征的惩罚概率发生冲突，若其中之一是“友好的”（不被热惩罚），另一个必定是“不友好的”。野生型果蝇能够根据颜色和重心线索的相对权值作出选择。其策略是追求惩罚概率最小化。在更进一步的研究中，我们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，检测它们分别在抉择过程中所发挥的作用。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。我们的主要结论为：（1）果蝇中央脑中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”的线性过程，而二者的协同运作才使两难抉择成为非线性的“当机立断”的“胜者独享”的抉择。（2）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，果蝇能放弃在前一个抉择任务时所作的选择，转而作出新的选择，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，而一旦进入抉择的执行阶段，就不需要它们了。（4）抉择的“S”型曲线告诉我们，两难抉择可能是一个神经动力学过程。最后，也是最重要的提示是，蘑菇体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。
这样的研究会有助于加深我们对自身大脑的工作原理的认识吗？
如果将多巴胺系统——蘑菇体的微回路，与人脑中脑腹盖区多巴胺系统与主司抉择的前额叶的神经环路相比照，有可能提出抉择过程的简化脑模型。有助于回答抉择的神经环路原理在进化上是否有保守性？在神经科学领域中，另一个新的研究方向“认知分子遗传学”值得关注。有研究表明遗传因素对认知和智能的发育有重要作用。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，可能会有助于理解某些认知和精神活动的基本原理。
（郭爱克为中科院上海生科院神经科学研究所和中科院生物物理所研究员；张柯为中科院上海生科院神经科学研究所博士研究生。）
作者：
2007-8-8