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卷起来吧!大脑的神经元

解读学术前沿的 脑友记BrainUp 2023-05-13

@SALK INSTITUTE,已经形成社会等级的老鼠被放在一个盒子里,在那里他们争夺食物奖励。索尔克的科学家可以使用大脑读数来准确预测哪种动物将赢得奖励,以及该动物的社会等级。


如果你在聚会上想去拿最后一块披萨,同时看到另一只手也准备拿走,你的下一步行动可能取决于你的饥饿感以及这是谁的手。如果是你妹妹的手,你很可能会拿走这块披萨。但如果是你的老板,你大概率会让给老板。但如果你饿了,又特别自信,你可能会拿走。








研究背景

大多数社会物种,包括人类,在群体中自然会将自己划分等级。个体在这些等级中的排名会影响他们的行为。研究人员刚刚开始了解大脑如何对复杂的群体动态做出反应,并帮助驱动这些动态,包括竞争、支配地位和社会规范。


在美国国家卫生研究院资助的两项新研究中,研究人员探索了大脑如何追踪社会地位,以及这是否能预测老鼠争夺资源的能力。


索尔克的研究人员已经在理解哺乳动物大脑如何编码社会等级并利用这些信息塑造行为方面取得了进展——比如是否为最后一块披萨而战。研究小组发现,在参与比赛的老鼠中,大脑活动的模式因对手动物的社会等级而异。


此外,科学家们可以使用大脑读数来准确预测哪种动物会赢得食物奖励,因为并不总是在社会上更占优势的动物,而是更有想要获胜心态的动物。这些发现发表在2022年3月16日的《自然》杂志上。



研究人员表示,大多数社会性物种将自己组织成等级,指导每个人的行为。理解大脑是如何调节这一点的,可能有助于我们理解社会地位、孤立和精神疾病之间的相互作用,如抑郁、焦虑甚至药物滥用。


研究人员已经知道,哺乳动物大脑中一个叫做内侧前额叶皮层(mPFC)的区域,会负责代表社会等级,那么改变老鼠的mPFC就会改变动物的行为。但目前还不清楚mPFC是如何表达这些信息的,以及哪些神经元(如果有的话)参与了支配行为的改变。


研究介绍

在这项研究中,索尔克研究所(Salk Institute)霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员凯·泰(Kay Tye)博士领导的团队观察了老鼠竞争喝甜味液体时的大脑活动。


研究小组把老鼠放在一起,直到有了社会秩序。然后,研究人员单独训练每只老鼠,让它们知道液体会在播放声音后出现在笼子里。接下来,研究人员跟踪了老鼠的大脑活动,当它们在液体出现后,同时竞争喝下两种液体。占优势的老鼠通常比从属的老鼠喝更多的液体。


研究人员发现,在竞争过程中,被称为内侧前额叶皮层(mPFC)的大脑神经元的活动会根据对手老鼠的社会地位而有所不同。mPFC的大脑活动可以预测一只老鼠的社会排名,有90%的把握。


这些大脑模式还可以在比赛开始前预测哪只老鼠会获胜。虽然占优势的老鼠通常是预测的赢家,但它们并不总是。这表明,其他因素,如动机和信心,也发挥了作用。


@Anton Kakhidze


进一步的研究发现,有关社会竞争的信息会从mPFC传到大脑的另一个区域,即下丘脑外侧。这个区域在许多社会行为中起着作用。当老鼠在比赛中喝这种液体时,连接两个大脑区域的一组细胞比它们独处时表现出更多的活动。


在另一项研究中,由马萨诸塞州总医院的齐夫·威廉姆斯博士领导的团队追踪了竞争觅食的老鼠。该团队使用无线记录设备,可以从大脑中的单个神经元接收信号。


他们发现,与mPFC(前扣带皮层)相连的大脑区域中单个神经元的活动,会随着竞争老鼠的社会地位而发生变化。


当动物在竞争中处于社会主导地位时,前扣带皮层的活动增加,反之则减少。动物觅食的成功率取决于它们与竞争对手的地位。更占优势的通常更成功。


前扣带皮层神经元的活动也会随着老鼠过去是否比赛成功而改变。这表明,当老鼠遇到类似的情况时,这些细胞在做出决定方面发挥了作用。


当研究人员使用药物来控制这些神经元的活动时,它们可以影响老鼠竞争的强度。但这种竞争动力仍然受到其他觅食老鼠社会地位的影响。


威廉姆斯表示,总的来说,这些神经元非常详细地描述了群体的行为和它们在一起争夺食物时的动态,以及关于可用资源和它们过去相互作用的结果的信息。这些神经元甚至可以在竞争开始之前就预测动物自己未来的成功,这意味着它们可能会根据与谁互动来驱动动物的竞争行为。


@Anton Kakhidze


研究结果

当动物进行竞争时,大脑活动发生了变化,而不是当它们单独收集奖励时。然而,即使当动物独处时,仍然可以从大脑活动中解码动物生活群体的社会等级。


这表明我们与他人在一起时与独自一人时处于不同的大脑状态。不管你和谁在一起,如果你周围有其他人,那么你的大脑正在使用不同的神经元。


接下来,科学家们将研究动物对社会等级的表征是如何以及何时在大脑中首先发展的,以及其他类型的行为是如何受到影响的。


大多数群居物种将自己组织成指导每个个体行为的等级制度。了解大脑如何调节这一过程,可能有助于我们理解社会地位、孤立和精神疾病(如抑郁、焦虑甚至药物滥用)之间的相互作用。


参考资料:
http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-04000-5;
https://www.eurekalert.org/news-releases/946289;
https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/understanding-how-brain-tracks-social-status-competition




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