多巴胺的多重作用：不仅塑造正在进行的行为，同时学习信号指导未来的行为

在大脑中的神经递质中，多巴胺获得了近乎神话般的地位。数十年的研究已经证实了它对学习、动机和运动等几个看似无关的大脑功能的贡献，这就引出了一个问题：一个单一的神经递质是如何发挥这么多不同的作用的。

想要解开多巴胺的多种功能一直具有挑战性，部分原因是人类和其他哺乳动物的高级大脑包含不同种类的多巴胺神经元，所有这些神经元都嵌入高度复杂的回路中。在一项新研究中，洛克菲勒大学(The Rockefeller University)的 Vanessa Ruta 和她的团队通过研究果蝇更简单的大脑来深入研究这个问题，果蝇的神经元和它们的连接已经被详细地绘制出来。

和人类一样，果蝇的多巴胺神经元提供了学习的信号，帮助它们将特定的气味与特定的结果联系起来。例如，了解到苹果醋中含有糖，就会影响动物下次遇到这种气味时的行为。但Ruta的团队发现，同样的多巴胺神经元也与动物的持续行为密切相关。这些多巴胺神经元的活动并不是简单地运动机制进行编码，而是实时反映苍蝇动作背后的动机或目标。换句话说，指导动物长期学习的多巴胺神经元也提供瞬间强化，鼓励苍蝇继续进行有益的活动。

该项研究发表在《Nature Neuroscience》上，Ruta表示，“学习和动机之间似乎存在密切联系，这是多巴胺作用的两个不同方面。”

持续学习

气味对果蝇来说很重要。一个用于嗅觉学习的大脑中心，称为蘑菇体，负责教它们闻到哪种气味代表美味的糖。在那里，三种类型的神经元聚集在一起：对气味做出反应的 Kenyon 细胞、向大脑其他部分发送信号的输出神经元，以及产生多巴胺的神经元。当果蝇遇到一种气味并得到糖的奖励时，快速释放的多巴胺会改变蘑菇体神经元之间联系的强度，从根本上帮助果蝇建立新的联系并改变它未来对这种气味的反应。

当果蝇接收到一滴蔗糖时，研究人员记录了果蝇大脑嗅觉学习中心(上图)的神经元活动。

但 Ruta 和她的同事注意到，即使在没有奖励的情况下，多巴胺信号仍在持续。帮助果蝇学习联想的神经元也随着果蝇的移动而频繁地被激活。Ruta表示，“这就引出了一个问题，这些神经元是代表运动的特定方面，比如动物如何移动它的腿，还是与其他东西有关，比如动物的目标？”

为了找到答案，研究小组开发了一个虚拟现实系统，在这个系统中，果蝇可以在嗅觉环境中导航，在一个类似跑步机的球上行走，同时它们的大脑活动受到头顶上的显微镜的监控。一股气流通过一个小管子传递气味。当果蝇闻到一股诱人的气味时，比如苹果醋，它就会调整方向，开始逆风向源头移动。

使用该系统，研究人员能够检查果蝇在不同条件下的大脑活动。他们发现，当果蝇进行有目的的跟踪时，多巴胺神经元的活动密切反映了正在发生的运动。

当研究人员抑制多巴胺神经元的活动时，即使它们在饥饿时，对与食物相关的气味更感兴趣的情况下也会减少了对气味的追踪。相比之下，在食物不敏感、吃饱的果蝇中，激活神经元也会促使它们积极追逐气味。

总之，这些发现揭示了多巴胺通路如何执行两种功能：传递激励信号以快速塑造正在进行的行为，同时通过学习提供指导性信号来指导未来的行为。Ruta说：“它让我们更深入地了解单一途径如何产生不同形式的灵活行为。”

下一步是了解其他神经元如何知道在任何特定时间多巴胺的爆发意味着什么。Ruta说，一种可能性是，学习是一个比通常想象的更连续、更动态的过程：在短时间内，动物不断评估它们每一步的行为，不仅学习最终的联想，还学习引导它们到达那里的行为。

参考

Zolin, A., Cohn, R., Pang, R. et al. Context-dependent representations of movement in Drosophila dopaminergic reinforcement pathways. Nat Neurosci 24, 1555–1566 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41593-021-00929-y

https://www.rockefeller.edu/news/31501-dopamines-many-roles-explained/

翻译：Tina；排版：羽化

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