摘要：新研究在大腦如何權(quán)衡這些眾多的日常決定以及神經(jīng)遞質(zhì)血清素扮演什么角色的進(jìn)化細(xì)節(jié)這個(gè)大話題上提供了令人著迷的發(fā)現(xiàn)。
在我們的日常生活中，我們不斷地做出一系列決定，從眼前的事情到遙遠(yuǎn)的前景。但是，我們的大腦如何權(quán)衡這些眾多的日常決定以及神經(jīng)遞質(zhì)血清素扮演什么角色的進(jìn)化細(xì)節(jié)一直籠罩在神秘之中。
現(xiàn)在，由渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究在這個(gè)大話題上提供了令人著迷的發(fā)現(xiàn)，并有可能揭開我們神經(jīng)系統(tǒng)異常復(fù)雜的血清素系統(tǒng)在我們大腦這個(gè)神秘器官內(nèi)真正發(fā)揮作用的一個(gè)隱藏方面。
圖1 血清素系統(tǒng)中價(jià)值的前瞻性編碼發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的這項(xiàng)研究是一項(xiàng)極具影響力的國際合作，一位專家評(píng)審認(rèn)為，這項(xiàng)研究“在神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和精神病學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的意義，增強(qiáng)了我們對血清素在情緒調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)和動(dòng)機(jī)行為中的作用的理解”。
該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新工作將強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）理論（用于神經(jīng)科學(xué)，以更好地理解學(xué)習(xí)、行為和決策）的思想與最近來之不易的對大腦中縫背核過濾特性的見解結(jié)合起來。這是哺乳動(dòng)物腦干的一個(gè)區(qū)域，富含產(chǎn)生血清素的神經(jīng)元。
血清素通常被描繪成大腦的“快樂化學(xué)物質(zhì)”。選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRIs）等抗抑郁藥物以血清素系統(tǒng)為目標(biāo)，這是一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)的一部分。然而，5 -羥色胺在神經(jīng)系統(tǒng)中的確切作用是模棱兩可和令人困惑的：它涉及從情緒和運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)到食欲和睡眠-覺醒周期的一切。它會(huì)被痛苦、快樂和驚喜激活，這一事實(shí)長期以來一直是一個(gè)大腦研究難題。
通過這項(xiàng)研究，渥太華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提出了一個(gè)關(guān)于血清素的統(tǒng)一觀點(diǎn)，他們稱之為“價(jià)值的預(yù)期代碼”——一種大腦如何為未來獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)定價(jià)值的生物代碼。這個(gè)代碼從本質(zhì)上解釋了為什么大腦中的血清素神經(jīng)元在對獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰做出反應(yīng)時(shí)都被激活，并且偏愛令人驚訝的獎(jiǎng)勵(lì)。
“我們的研究提出了這樣一個(gè)問題：血清素告訴大腦什么？簡而言之，我們發(fā)現(xiàn)它的信息與對未來回報(bào)的期望密切相關(guān)，”資深作者Richard Naud博士說，他是醫(yī)學(xué)院細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系和渥太華大學(xué)物理系的副教授。
研究報(bào)告的合著者、細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)系教授Jean-Claude Bé?que博士將主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：“當(dāng)你與不斷變化的世界互動(dòng)時(shí)，你的大腦需要計(jì)算你所考慮和采取的行動(dòng)的預(yù)期價(jià)值，并詢問‘在特定環(huán)境下，這個(gè)決定與那個(gè)決定的價(jià)值是什么？這是一個(gè)難題。因此，我們認(rèn)為血清素在大腦中的實(shí)際作用是編碼特定環(huán)境或行動(dòng)過程的期望值，以最終指導(dǎo)日常決策。”
最初的火花
這個(gè)想法的萌芽始于幾年前渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院（uOttawa Faculty of Medicine），當(dāng)時(shí)還是Naud實(shí)驗(yàn)室博士生的第一作者Emerson Harkin在研究血清素神經(jīng)元的生物物理特性時(shí)，開始模擬強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。Harkin博士于2023年底完成了他在渥太華大學(xué)的博士學(xué)位，并于2024年3月獲得了學(xué)位。他說，這個(gè)核心想法是“半偶然”產(chǎn)生的。
在投入大量時(shí)間和精力研究產(chǎn)生血清素的腦細(xì)胞的電特性后，他和渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的導(dǎo)師們開始密切關(guān)注其他實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)室專注于測量動(dòng)物在經(jīng)歷獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰時(shí)血清素神經(jīng)元的活動(dòng)。他說，雖然整體情況非常令人困惑，但他們那時(shí)才意識(shí)到，他們可能正在追逐一些有希望的東西。
圖2 價(jià)值前瞻性編碼的簡化模型解釋血清素神經(jīng)元對短期獎(jiǎng)賞與懲罰的響應(yīng)機(jī)制
“似乎沒有人考慮到5 -羥色胺神經(jīng)元可能會(huì)被動(dòng)物周圍環(huán)境的變化激活，比如獎(jiǎng)勵(lì)即將到來的信號(hào)的開始或懲罰的結(jié)束，”Harkin博士說，他指的是用小鼠模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。“當(dāng)我們通過顯微鏡和電極觀察這些先前的結(jié)果時(shí)，許多以前看起來令人困惑或矛盾的結(jié)果突然開始融合在一起。”
Harkin博士目前在德國馬克斯·普朗克生物控制論研究所（Max Planck Institute for Biological Cybernetics）做博士后，他斷言，這些發(fā)現(xiàn)表明，血清素系統(tǒng)的很大一部分作用是向“大腦的其他部分傳遞一個(gè)信息：‘這是我們對你不久的將來會(huì)有多好的最佳猜測，這是這個(gè)猜測改善的速度。’”
計(jì)算神經(jīng)科學(xué)專家Naud博士深入研究了該理論極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，他解釋說，在過去幾年中，隨著合作團(tuán)隊(duì)通過“大量閱讀、大量討論、大量思考”對工作進(jìn)行微調(diào)，最初的想法發(fā)生了相當(dāng)大的變化。
下一個(gè)步驟
展望未來，研究小組的目標(biāo)是研究血清素在行為中的作用，試圖弄清楚大腦的其余部分是如何處理神經(jīng)遞質(zhì)信息的。Naud博士說，也許找到在框架上運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論的方法可以幫助他們做到這一點(diǎn)。
有趣的是，Naud博士的神經(jīng)科學(xué)研究經(jīng)常對學(xué)習(xí)和記憶理論產(chǎn)生影響，這些理論可以為人工智能（AI）的未來發(fā)展提供信息。他認(rèn)為，該團(tuán)隊(duì)剛剛發(fā)表在《自然》雜志上的研究似乎表明了神經(jīng)系統(tǒng)的特殊性。
“在某種程度上，我覺得研究小組的發(fā)現(xiàn)表明，大腦的工作方式與機(jī)器不同。如果我們干擾機(jī)器中的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，它就會(huì)做很多大腦中的干擾做不到的事情，”他說。
參考資料
[1] A prospective code for value in the serotonin system
摘要：新研究在大腦如何權(quán)衡這些眾多的日常決定以及神經(jīng)遞質(zhì)血清素扮演什么角色的進(jìn)化細(xì)節(jié)這個(gè)大話題上提供了令人著迷的發(fā)現(xiàn)。
在我們的日常生活中，我們不斷地做出一系列決定，從眼前的事情到遙遠(yuǎn)的前景。但是，我們的大腦如何權(quán)衡這些眾多的日常決定以及神經(jīng)遞質(zhì)血清素扮演什么角色的進(jìn)化細(xì)節(jié)一直籠罩在神秘之中。
現(xiàn)在，由渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究在這個(gè)大話題上提供了令人著迷的發(fā)現(xiàn)，并有可能揭開我們神經(jīng)系統(tǒng)異常復(fù)雜的血清素系統(tǒng)在我們大腦這個(gè)神秘器官內(nèi)真正發(fā)揮作用的一個(gè)隱藏方面。
圖1 血清素系統(tǒng)中價(jià)值的前瞻性編碼發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的這項(xiàng)研究是一項(xiàng)極具影響力的國際合作，一位專家評(píng)審認(rèn)為，這項(xiàng)研究“在神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和精神病學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的意義，增強(qiáng)了我們對血清素在情緒調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)和動(dòng)機(jī)行為中的作用的理解”。
該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新工作將強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）理論（用于神經(jīng)科學(xué)，以更好地理解學(xué)習(xí)、行為和決策）的思想與最近來之不易的對大腦中縫背核過濾特性的見解結(jié)合起來。這是哺乳動(dòng)物腦干的一個(gè)區(qū)域，富含產(chǎn)生血清素的神經(jīng)元。
血清素通常被描繪成大腦的“快樂化學(xué)物質(zhì)”。選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRIs）等抗抑郁藥物以血清素系統(tǒng)為目標(biāo)，這是一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)的一部分。然而，5 -羥色胺在神經(jīng)系統(tǒng)中的確切作用是模棱兩可和令人困惑的：它涉及從情緒和運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)到食欲和睡眠-覺醒周期的一切。它會(huì)被痛苦、快樂和驚喜激活，這一事實(shí)長期以來一直是一個(gè)大腦研究難題。
通過這項(xiàng)研究，渥太華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提出了一個(gè)關(guān)于血清素的統(tǒng)一觀點(diǎn)，他們稱之為“價(jià)值的預(yù)期代碼”——一種大腦如何為未來獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)定價(jià)值的生物代碼。這個(gè)代碼從本質(zhì)上解釋了為什么大腦中的血清素神經(jīng)元在對獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰做出反應(yīng)時(shí)都被激活，并且偏愛令人驚訝的獎(jiǎng)勵(lì)。
“我們的研究提出了這樣一個(gè)問題：血清素告訴大腦什么？簡而言之，我們發(fā)現(xiàn)它的信息與對未來回報(bào)的期望密切相關(guān)，”資深作者Richard Naud博士說，他是醫(yī)學(xué)院細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系和渥太華大學(xué)物理系的副教授。
研究報(bào)告的合著者、細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)系教授Jean-Claude Bé?que博士將主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：“當(dāng)你與不斷變化的世界互動(dòng)時(shí)，你的大腦需要計(jì)算你所考慮和采取的行動(dòng)的預(yù)期價(jià)值，并詢問‘在特定環(huán)境下，這個(gè)決定與那個(gè)決定的價(jià)值是什么？這是一個(gè)難題。因此，我們認(rèn)為血清素在大腦中的實(shí)際作用是編碼特定環(huán)境或行動(dòng)過程的期望值，以最終指導(dǎo)日常決策。”
最初的火花
這個(gè)想法的萌芽始于幾年前渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院（uOttawa Faculty of Medicine），當(dāng)時(shí)還是Naud實(shí)驗(yàn)室博士生的第一作者Emerson Harkin在研究血清素神經(jīng)元的生物物理特性時(shí)，開始模擬強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。Harkin博士于2023年底完成了他在渥太華大學(xué)的博士學(xué)位，并于2024年3月獲得了學(xué)位。他說，這個(gè)核心想法是“半偶然”產(chǎn)生的。
在投入大量時(shí)間和精力研究產(chǎn)生血清素的腦細(xì)胞的電特性后，他和渥太華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的導(dǎo)師們開始密切關(guān)注其他實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)室專注于測量動(dòng)物在經(jīng)歷獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰時(shí)血清素神經(jīng)元的活動(dòng)。他說，雖然整體情況非常令人困惑，但他們那時(shí)才意識(shí)到，他們可能正在追逐一些有希望的東西。
圖2 價(jià)值前瞻性編碼的簡化模型解釋血清素神經(jīng)元對短期獎(jiǎng)賞與懲罰的響應(yīng)機(jī)制
“似乎沒有人考慮到5 -羥色胺神經(jīng)元可能會(huì)被動(dòng)物周圍環(huán)境的變化激活，比如獎(jiǎng)勵(lì)即將到來的信號(hào)的開始或懲罰的結(jié)束，”Harkin博士說，他指的是用小鼠模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。“當(dāng)我們通過顯微鏡和電極觀察這些先前的結(jié)果時(shí)，許多以前看起來令人困惑或矛盾的結(jié)果突然開始融合在一起。”
Harkin博士目前在德國馬克斯·普朗克生物控制論研究所（Max Planck Institute for Biological Cybernetics）做博士后，他斷言，這些發(fā)現(xiàn)表明，血清素系統(tǒng)的很大一部分作用是向“大腦的其他部分傳遞一個(gè)信息：‘這是我們對你不久的將來會(huì)有多好的最佳猜測，這是這個(gè)猜測改善的速度。’”
計(jì)算神經(jīng)科學(xué)專家Naud博士深入研究了該理論極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，他解釋說，在過去幾年中，隨著合作團(tuán)隊(duì)通過“大量閱讀、大量討論、大量思考”對工作進(jìn)行微調(diào)，最初的想法發(fā)生了相當(dāng)大的變化。
下一個(gè)步驟
展望未來，研究小組的目標(biāo)是研究血清素在行為中的作用，試圖弄清楚大腦的其余部分是如何處理神經(jīng)遞質(zhì)信息的。Naud博士說，也許找到在框架上運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論的方法可以幫助他們做到這一點(diǎn)。
有趣的是，Naud博士的神經(jīng)科學(xué)研究經(jīng)常對學(xué)習(xí)和記憶理論產(chǎn)生影響，這些理論可以為人工智能（AI）的未來發(fā)展提供信息。他認(rèn)為，該團(tuán)隊(duì)剛剛發(fā)表在《自然》雜志上的研究似乎表明了神經(jīng)系統(tǒng)的特殊性。
“在某種程度上，我覺得研究小組的發(fā)現(xiàn)表明，大腦的工作方式與機(jī)器不同。如果我們干擾機(jī)器中的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，它就會(huì)做很多大腦中的干擾做不到的事情，”他說。
參考資料
[1] A prospective code for value in the serotonin system
