Science | 多巴胺通过增强认知活动的收益成本比来促进认知努力

按：目前，哌甲酯等兴奋剂越来越多地用于认知增强，但其确切机制尚不清楚。这里，Rong同学介绍了一篇发表在Science上的论文，它结合PET、眼动和计算模型，揭示了哌甲酯通过介导纹状体多巴胺信号，提高了认知努力的动机，而不是认知能力。

我们为了获得想要的目标（如，奖赏）往往需要付出努力，那么这个过程中个体付出的体力（physical）或者认知（cognitive）活动的强度就是努力成本（effort cost）。在日常生活中，我们总是会在一项活动的effort cost和潜在收益（benefit）之间进行权衡，从而决策是否要开始这项活动。比如，如果一个人认为读博所需要付出的effort cost远大于benefit时，那么读博这件事情给他带来的主观价值（subject value）就比较低，他很有可能不会选择读博。

同样，认知控制也需要付出努力，尤其表现在人们会回避需要高认知控制的任务，对所追求目标的价值产生折扣效应（比如，高认知负荷会降低高奖赏认知任务的主观价值）。有证据表明，纹状体多巴胺（dopamine, DA）通过介导收益成本（benefit-cost）的权衡来激发身体活动。虽然类似的机制可能会影响认知行为决策，但纹状体多巴胺是否会促进付出认知努力（cognitive effort）的动机和决策还不得而知。另外，哌甲酯（methylphenidate，多巴胺和去甲肾上腺素的再摄取抑制剂，可大幅提高这些神经传递物质的浓度和强度）和舒必利（sulpiride，多巴胺D2受体的拮抗剂）等兴奋剂越来越多地用于认知增强，但这些所谓的“益智药/认知增强剂”究竟是提高了付出认知控制的动机还是能力也不清楚。

为此，研究者招募了药物组（哌甲酯/舒必利）和安慰剂组共150人参加实验。首先，在第一个决策任务——认知努力折扣范式（如下图）中，被试会看到一系列带有奖赏和effort信息的提议（offer）。要求被试在高effort的N-back任务（N = 2, 3, 4）和低effort的N-back任务（N = 1, 2）之间进行选择，完成较难的N-back任务可获得大奖赏，完成简单的N-back任务可获得小奖赏。在第一个试次（trial）中，低effort的offer金额是高effort的offer金额的一半；在每次选择之后，会上调或者下调offer金额，直至被试对两种offer没有表现出差异。那么，与低N-back任务相比，让被试恰好愿意执行高N-back任务所需的奖赏，就是主观的effort cost。然后，用该offer的奖赏金额减去effort cost，则得到了量化后的高effort的主观价值。

认知努力折扣范式图（Westbrook, Kester, & Braver, PLOS ONE, 2013）

第一个折扣任务的结果如图1所示，随着N-back负荷增加，主观价值降低，这说明主观的effort cost在增加（图1A）。而且，多巴胺合成能力（由18F-DOPA-PET[正电子发射扫描]扫描尾状核所测量）越高，平均的主观价值也越大（图1B-C）。如果多巴胺介导了认知努力，那么它可能在病理学层面上提高了动机。的确，相比于安慰剂，服用哌甲酯和舒必利都提高了多巴胺合成能力较低被试的主观价值（图1D）。

图1（A）高认知负荷和低多巴胺合成能力对offer的主观价值产生了更大的折扣效应；（B-C）多巴胺合成能力与主观价值呈正相关；（C）药物和多巴胺合成能力对主观价值的交互影响。

那么，主观价值的增强是由于benefit增强还是cost降低呢？被试接下来完成了第二个类似的决策任务。研究者以第一个折扣任务中每个被试的无差异点为中心，设置了一系列偏向高cost-高benefit（hard offer）或者低cost-低benefit（easy offer）的offer，从而评估多巴胺是否会增强主观的收益与成本（图2A）。

研究者先用计算模型模拟了纹状体多巴胺对决策的影响：随着多巴胺增加，该模型预测了对benefit敏感性的提高、对cost敏感性的降低。而且，当高比低effort选项的benefit vs. cost的比率较大时（无差异点右边），决策曲线更陡峭；反之则更平坦（无差异点左边）（图2B）。被试实际的决策行为支持了该模型的预测（图2C-D）：①高effort选择同时对benefit和cost敏感；②随着多巴胺合成能力上升和哌甲酯的使用，被试对benefit的敏感性增强，而使用舒必利后则对cost的敏感性降低；③具有更高多巴胺合成能力和使用哌甲酯的被试，会选择更多的高effort选项。

图2多巴胺通过调整认知活动的收益与成本来改变价值评估。（A）任务示意图；（B）模拟benefit vs. cost比率对高effort选择的影响；多巴胺合成能力（C）和药物（D）影响实际的高effort选择比例。

上述行为结果说明了多巴胺对effort决策的作用，但却没有揭示决策是如何被改变的。为此，研究者在第二个决策任务中还测量了眼动（图3A），来探讨多巴胺是否影响了对benefit与cost的注意。结果发现，无论是对offer的benefit还是cost的注视（gaze）比例都能预测对offer的选择（图3B）。重要的是，在决策的早期阶段，被试注视benefit多于cost，这种偏向在选择了高effort的选项中更大，且这种效应在多巴胺合成能力较高的被试中更强（图3C）。然而，在决策前的775ms，被试开始将注意转向即将选择的offer（图3D）。这表明，在决策的早期阶段，对offer信息的注意会影响决策；而在晚期阶段，决策则会影响注意。

图3注视、价值和多巴胺合成能力对努力决策的影响。（A）眼动示意图；（B）对cost和benefit的注视比例都与hardoffer的选择比例呈正相关；（C）决策早期阶段，选择easy/hard任务中，低/高多巴胺合成能力被试，注视benefit和cost信息的比例；（D）决策晚期阶段，选择easy/hard 任务中，被试注视benefit和cost信息的比例。

最后，研究者对第二个决策任务的数据拟合漂移扩散模型（DDM假定：当benefit和cost信息累积到一个阈值时，决策就会产生）来进一步验证，早期注意是否因果性地增强了所注意的特征，而晚期注意仅与决策相关？最佳拟合模型同时包括乘法效应（注视增强价值信息）和加法效应（注视与决策相关，但不增强价值）（图4A-C）。此外，研究者根据每个被试开始注视即将选择offer的时间点（bifurcation），将试次分成了前后两半并重新拟合数据。乘法项的结果发现，bifurcation前，benefit和cost的效应大于0，而bifurcation后则接近0（图4G）；加法项的结果发现，bifurcation前，benefit和cost的效应接近0，而bifurcation后则大于0（图4F）。这表明，早期注意会增强benefit vs. cost的效应，而晚期注视仅仅反映了随后的决策。而且，高多巴胺合成能力和哌甲酯会提高benefit的效应（图4D-E）。

图4注视偏向的动态改变及其对内隐决策的反映。（A-C）注视模型；（F-G）模型拟合结果；多巴胺合成能力（D）和哌甲酯对benefit效应的提高。

综上所述，本研究发现，多巴胺通过增强决策早期benefit vs. cost的效应，来提高付出认知努力的动机。

论文原文：

Westbrook, A., Bosch, R. van den, Määttä, J.I., Hofmans, L., Papadopetraki, D., Cools, R., & Frank, M. J. (2020). Dopaminepromotes cognitive effort by biasing the benefits versus costs of cognitive work.Science, 367(6484), 1362–1366. https://doi.org/10.1126/science.aaz5891

相关论文：

Westbrook, A., Kester, D., & Braver, T.S. (2013). What Is the Subjective Cost of Cognitive Effort? Load, Trait, andAging Effects Revealed by Economic Preference. PLoS ONE, 8(7),e68210. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0068210

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