血清素回路如何从运动中学习以调控行为

摘要：科学家发现斑马鱼幼体的血清素能神经元如何处理与运动相关的视觉信息，以决定何时及释放多少血清素。这种神经调质可微调鱼的游动力度，根据过往行为的有效性调整行为。

关键脑区的神经元在一次游动爆发结束后才接收视觉输入，利用一种“门控”机制在游动后开启以处理相关反馈。这种选择性门控使系统能了解哪些行为会带来预期结果——本质上是为成功分配功劳。

关键事实：

• 基于努力的调节：血清素能神经元根据每次运动后的视觉反馈调整游动活力。
• 时间门控：神经“门”仅在游动结束后允许感觉信息进入，优化功劳分配。
• 神经元反弹：游动期间活动受抑制，之后会出现兴奋性反弹，促进血清素释放。

来源：霍华德·休斯医学研究所（HHMI）

珍妮莉亚（Janelia）的研究人员正在解码神经元如何进行精心校准的计算，以适应动物的运动和环境，从而精确调节神经调质（微调大脑活动并使我们能适应新情况的化学物质）的释放。

新发现有助于科学家更好地理解大脑如何实现灵活行为，并为抑郁症等情绪障碍提供见解。研究人员称，新发现有助于深入了解中缝核（人类大脑中也存在的脑区）中神经调质的工作机制，并可能阐明大脑中其他神经调节系统所涉及的过程。

图片来源：神经科学新闻（Neuroscience News）

与实现神经元间快速通讯的神经递质不同，神经调质在较慢的时间尺度上调节神经元群。这些化学物质调整大脑对信息的反应方式，有助于塑造我们的行为、情绪和思维。

在斑马鱼幼体中，神经调质血清素控制鱼的游动强度，因为环境或其自身身体的变化会改变其努力的有效性。珍妮莉亚的阿伦斯（Ahrens）实验室之前的研究发现，中缝背核（一个脑区）中的血清素能神经元利用视觉线索评估鱼游动的有效性，以确定未来应付出多少努力，释放血清素来调整鱼的游动活力。

在新研究中，阿伦斯实验室领导的团队试图了解这些神经元如何确定何时及释放多少血清素。虽然很多研究关注神经调质如何影响神经元回路，但对神经调节系统本身如何处理信息知之甚少。

当鱼在虚拟现实环境中游动时，研究人员利用珍妮莉亚开发的电压传感器和神经递质成像工具追踪中缝核的活动。斑马鱼以断断续续的模式游动（游动和滑行），他们发现中缝核中的血清素能神经元仅在一段游动期结束后才整合有关其感知运动的信息。

阿伦斯及其团队确定一个“门”允许视觉信息进入中缝核：如果鱼未游动则门关闭，游动后立即开启。这一过程使中缝核中的细胞能利用与鱼游动努力相关的视觉信息调整鱼的行为，同时过滤掉不相关的视觉信号。一般来说，这种功劳分配——将行为与结果正确关联——是系统从经验中学习的核心，也是神经科学和机器学习的一个活跃研究领域。

接下来，团队研究了这种门控的工作原理。令人惊讶的是，他们发现游动最初会抑制中缝核中血清素能神经元的活动。但是，一旦鱼停止游动进入滑行期，抑制就会解除。

这会产生反弹效应，增加神经元活动——就像把桌上的气球按下然后松开，使其向上弹起。在这个反弹阶段，门打开，视觉信息可以到达中缝核。这些视觉信号增加神经元的兴奋性，使细胞根据视觉速度按比例放电，释放血清素以调整鱼的游动活力。

研究人员称，新发现有助于深入了解中缝核（人类大脑中也存在的脑区）中神经调质的工作机制，并可能阐明大脑中其他神经调节系统所涉及的过程。

作者：南希·邦佩（Nanci Bompey） 来源：HHMI 联系：南希·邦佩——HHMI 图片：图片来源于神经科学新闻 电压成像揭示中缝核中与血清素介导的运动活力学习相关的回路计算 血清素能中缝核通过视觉检测游动期间行进的距离、编码行为有效性并调节运动活力来支持斑马鱼幼体的运动学习。

具体而言，游动指令最初通过γ - 氨基丁酸（GABA）抑制血清素能神经元。紧接着，通过抑制后反弹使膜电压升高，使游动诱导的视觉运动通过谷氨酸诱发放电，触发血清素释放以调节未来的运动活力。

因此，血清素能神经调节源于中缝核内的行为 - 结果一致性检测。