研究證實 血清素增強大腦可塑性

近日，葡萄牙Champalimaud未知研究中心(CCU)和英國倫敦大學學院（UCL）組成的一個國際研究團隊發現血清素對學習的未知影響——能增強齧齒類動物學習的作用。該研究於2018年6月26日發表在《Nature Communications》期刊上。

血清素(5-羥色胺)是神經細胞用來相互交流的單胺類神經遞質，其對行為的影響尚不明確。長期以來，神經科學家們一直在努力建立一套完整的理論來描述血清素在正常大腦中的作用機制。但是確定血清素的功能非常具有挑戰性，尤其是它對學習的影響。現在，研究人員們利用一種新的數學模型發現了原因。

該研究的領導者之一Zach Mainen教授說：“研究發現，血清素能夠加快學習速度。如果利用鐳射人為地啟用血清素神經元，小鼠就能在需要靈活性的情況下更快地調整自己的行為。也就是說，當這些神經元處於活躍狀態時，它們會更重視新的資訊，從而更迅速地改變它們的想法。”血清素在過去被認為能增強大腦可塑性，這項研究也進一步證實這種觀點，從而否定了血清素是一種情緒促進劑的普遍概念。

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這項新發現可以更好地解釋為什麼選擇性血清素再攝取抑製劑(SSRI)與行為療法相結合能夠對抑鬱症狀產生更好的療效。SSRI是一種抗抑鬱藥物，它能夠增加大腦中流動的血清素的水平，更有效的結合行為療法基於強化學習的行為策略，避免抑鬱症狀。

在試驗中，小鼠需要完成一項學習任務，它們的目標是找到水。Fonseca解釋說：“這些小鼠被置於一個小房間內，它們需要觸碰左邊或右邊的一個分液器，這個分液器會以一定的概率流出水。”

在對資料進行分析之後，研究人員發現，小鼠在兩次嘗試之間等待的時間是不同的，它們或者會立即嘗試觸碰其中一邊的分液器，或者會在做一個新的嘗試之前等待更長時間。正是這種可變性使研究團隊得以揭示出血清素對小鼠制定決策的新作用。

在反複試驗的過程中，小鼠在開始和結束的時候等待的時間更長。這可能是因為，在試驗開始時小鼠更容易分心，對任務也不熟練，也許它們只是希望離開這個試驗環境。在試驗結束時，它們已經喝了足夠的水，它們尋求水這種獎勵的動機就會減弱。

研究團隊發現，無論哪種情況下（取決於兩次嘗試之間的時間間隔），小鼠都會採用兩種不同的策略來使自己獲得獎勵的機率最大化（獲得水）。

具體來說，當兩次嘗試之間的間隔較短時，能夠最好地預測小鼠下一步選擇的數學模型幾乎完全基於上一次嘗試的結果（有水或沒水），也就是說，它們會再次觸碰相同的分液器，如果沒有水，它們會轉向另一個分液器，這種策略被稱為“贏-保持-輸-轉變”。

這表明，當兩次實驗之間的間隔很短時，小鼠幾乎完全依賴於它們的“工作記憶”做出下一個選擇，工作記憶指的是與即時感知相關的短期記憶。

另一方面，當兩個連續試驗之間的間隔超過7秒時，最能預測小鼠的下一個選擇的模型表明，它們正在利用積累的獎勵經驗來指導其下一個動作。換句話說，它們的長期記憶開始發揮作用。

CCU的研究團隊利用光遺傳學技術通過鐳射刺激小鼠大腦中能夠產生血清素的神經元，從而分析血清素水平上升對小鼠覓食行為的影響。他們試圖確定血清素水平上升是否能夠影響他們剛剛發現的兩種不同的決策策略。

接下來發生了意外的事情。研究人員將所有的實驗結果彙總進行計算時，在不考慮之前時間間隔的情況下，他們發現血清素變化對小鼠行為沒有顯著影響。只有當他們考慮到決策策略時，他們才能從資料中提取出小鼠的學習速度增加。刺激血清素產生的神經元提升了小鼠從過去的獎勵歷史中學習的效率，但是血清素隻影響時間間隔較長的決策制定。

Murakami說：“血清素總是能夠增強來自獎勵的學習能力，但是這種影響只出現在動物的部分選擇中。”

Iigaya說：“令人驚訝的是，我們發現，小鼠的選擇行為由兩個不同的決策系統產生。在大多數試驗中，選擇是由一個‘快速系統’驅動的，這項試驗中，小鼠採用‘贏-保持-輸-轉變’的策略。但是在另外一部分試驗中，我們發現，這種簡單的策略根本無法解釋小鼠的選擇。相反，我們發現，小鼠遵循了它們的‘慢速系統’，在這種情況下，過去多次嘗試的歷史會影響小鼠的選擇，而不僅是最近的幾次嘗試。此外，血清素只會影響後續的選擇，即小鼠採用的是‘慢速系統’。”

至於SSRI治療抑鬱等精神類疾病的作用，研究人員總結道：“我們的研究結果表明，血清素能夠通過影響學習速率來提升大腦可塑性。這表明，SSRI療法如果與所謂的認知行為療法相結合會更加有效，這種療法鼓勵患者打破習慣。

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