去甲腎上腺素：大腦如何應對令人驚訝的事件？

根據麻省理工學院的一項新研究，當你的大腦需要你注意一些重要的事情時，它可以做到的一種方式是釋放出大量的去甲腎上腺素。這種神經調節劑是由大腦深處的一個叫做“藍斑核”（Locus Coeruleus）的結構產生的，可以對整個大腦產生廣泛的影響。在對小鼠的研究中，麻省理工學院的研究小組發現，去甲腎上腺素的一個關鍵作用是幫助大腦從令人驚訝的結果中學習。

麻省理工學院腦與認知科學系紐頓神經科學教授、麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所成員、西蒙斯社會大腦中心主任Mriganka Sur說：“這項工作表明，神經末梢對意外事件進行編碼，而關注這些意外事件對於大腦評估其環境至關重要。”

除了在發出驚喜信號方面的作用外，研究人員還發現去甲腎上腺素有助於刺激導致獎勵的行為，特別是在對是否會提供獎勵存在不確定性的情況下。

Sur是這項新研究的資深作者，該研究於2022年6月1日發表在《自然》雜誌上。前麻省理工學院博士后、現為拉瓦爾大學副教授的Vincent Breton-Provencher和麻省理工學院研究生Gabrielle Drummond是該論文的主要作者。

調控行為

去甲腎上腺素是影響大腦的幾種神經調節劑之一，另外還有多巴胺、血清素和乙酰膽鹼。與能夠實現細胞間交流的神經遞質不同，神經調節劑在大腦的大片區域內釋放，使它們能夠發揮更普遍的影響。

Sur說：“神經調節物質被認為是灌注大腦的大片區域，從而改變神經元以更多的點對點方式接受的興奮性或抑制性驅動。這表明它們一定具有非常關鍵的全腦功能，對生存和大腦狀態的調節非常重要。”

雖然科學家們已經了解了很多關於多巴胺在動機和獎勵追求中的作用，但對其他神經調節劑，包括去甲腎上腺素的了解卻很少。它與喚醒和提高警覺性有關，但是過多的去甲腎上腺素會導致焦慮。

以前對大腦中去甲腎上腺素的主要來源–藍斑核的研究表明，它接受來自大腦許多部分的輸入，也將其信號發送到很遠的地方。在新的研究中，麻省理工學院的團隊着手研究它在一種特定類型的學習中的作用，這種學習被稱為強化學習，或通過試驗和錯誤學習。

在這項研究中，研究人員訓練小鼠在聽到高頻音時推動一個槓桿，但在聽到低頻音時則不推。當小鼠對高頻音做出正確反應時，它們會得到水，但如果它們在聽到低頻音時按下槓桿，它們會得到一股令人不快的空氣。

小鼠還學會了在音調較高時用力推桿。當音量較低時，它們對是否應該推動更不確定。而且，當研究人員抑制位置神經元的活動時，小鼠在聽到低音量的音調時變得更加猶豫不決，這表明去甲腎上腺素促進了在回報不確定的情況下冒險獲得獎勵的行為。

Sur表示：“動物推桿是因為它想獲得獎勵，而神經末梢提供關鍵信號，說現在就推，因為獎勵會到來。”

研究人員還發現，產生這種去甲腎上腺素信號的神經元似乎將其大部分輸出發送到運動皮層，這為這種信號刺激動物採取行動提供了更多證據。

雖然最初的去甲腎上腺素的爆發似乎刺激了小鼠採取行動，但研究人員還發現，在試驗結束后往往會出現第二次爆發。當小鼠收到預期的獎勵時，這些爆發是小的。然而，當試驗的結果是一個驚喜時，這些爆發要大得多。例如，當一隻小鼠收到空氣，而不是它所期待的獎勵時，大腦皮層釋放出大量的去甲腎上腺素。

在隨後的試驗中，當這隻老鼠不確定它是否會得到獎勵時，它將更不可能去推動槓桿。Sur說：“動物正在不斷地調整其行為。即使它已經學會了這項任務，它也在根據它剛剛做的事情來調整它的行為。”

當小鼠收到意外獎勵時，它們在試驗中也表現出去甲腎上腺素的爆發。這些爆發似乎將去甲腎上腺素擴散到大腦的許多部分，包括前額葉皮層，那裡是計劃和其他高級認知功能的發生地。

Sur說：“藍斑核的驚喜編碼功能似乎在大腦中更為廣泛，這可能是有道理的，因為我們所做的一切都會受到驚喜的影響。”

研究人員現在計劃探索去甲腎上腺素和其他神經調節劑之間可能的協同作用，特別是多巴胺，它也會對意外獎勵做出反應。他們還希望更多地了解前額葉皮層如何儲存來自大腦皮層的輸入的短期記憶，以幫助動物在未來的試驗中提高其表現。