大脑也会“一区两用” 控制习惯的神经元也管学习新行为

近日，在一项针对啮齿类动物的研究中，西奈山伊坎医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的科学家们发现，传统上被认为控制旧习惯的大脑部分，也可能在学习新行为动作中发挥关键作用，这种微妙的平衡由大脑背外侧纹状体中两个相邻神经元回路的活动所控制。该论文发表在顶级学术期刊《自然》的子刊 Nature Communications杂志上。

纹状体（striatum）位于大脑深处，之前科学家们假设，纹状体在学习新行为的巩固过程中起着重要作用。因此，研究团队想深入了解纹状体回路对行为控制的影响。

研究团队将饥饿的啮齿类动物放入一个特殊的笼子里，训练它们通过按压分配器操作杆来获得食物。实验组动物每次按压操作杆时，都会得到一个食物颗粒，而对照组动物则不会得到食物。

两天后，研究人员再将这些动物放回进行训练实验的笼子中以测试学习效果。他们发现，即使不再递送食物，实验组动物也会大力按压操作杆，表明已经学会了新动作，而对照组动物只偶尔按压几次操作杆。

在实验过程中，研究人员使用c-Fos映射（c-Fos mapping）技术检测了这些动物大脑中的神经活动。检测结果显示，仅在一次训练后，实验组动物纹状体特定区域的神经元就明显比对照组活跃，表明在学习中发挥了作用。这些区域是前背外侧纹状体（aDLS）、后背内侧纹状体（pDLS）和伏隔核（NAc）。

▲小鼠大脑纹状体的几个区域（图片来源：参考资料[1])

为了验证这一点，研究人员往每个区域注射了茴香霉素（anisomycin），它能阻止细胞制造长期记忆储存所需的蛋白质。出乎意料的是，研究人员发现，这种药物仅仅在注射到前背外侧纹状体时，会破坏动物记忆新动作的能力。

研究小组对此感到十分惊讶。因为传统观念里，人们认为新行为学习是由后背内侧纹状体记忆编码的，而前背外侧纹状体只负责习惯的部分。但研究结果表明，除了调节习惯，前背外侧纹状体还负责新动作的学习巩固过程。

进一步的实验也支持了这一观点。例如，在一次训练后不久，通过化学方法阻断前背外侧纹状体神经元的活动，阻止了实验组动物记住可以按压操作杆来取得食物。

当研究人员仔细观察这一区域时，他们发现，学习行为可能是由两个会对神经递质多巴胺产生应答、相邻的反作用神经回路控制的。

▲D1-MSNs回路专注于记忆新行为，D2-MSNs回路负责已学习的习惯（图片来源：参考资料[1]）

在一个回路中，D1受体中型多棘神经元（D1-MSNs）在训练后活性立即上升，抑制这些神经细胞会阻碍动物的行为学习。相反，D2受体中型多棘神经元（D2-MSNs）在训练后趋向静止，阻断它们的活动则增强了动物巩固并记住新动作的能力，但会抑制动物表达以前学习的习惯性反应。

注：原文有删减

参考资料:

[1] Smith, A. C. W., et, al. (2021). Opposing roles for striatonigral and striatopallidal neurons in dorsolateral striatum in consolidating new instrumental actions. Nature Communications, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25460-3

[2] Old Habit-Controlling Neurons May Also Help the Brain Learn New Tricks. Retrieved August 25, from https://www.mountsinai.org/about/newsroom/2021/old-habit-controlling-neurons-may-also-help-the-brain-learn-new-tricks

[3] Part of Brain That Controls Habits Found Responsible for Encoding New Learnings, Neuroscience Research Reveals. Retrieved August 27, 2021, from https://www.sciencetimes.com/articles/33108/20210827/part-brain-controls-habits-found-responsible-encoding-new-learnings-neuroscience.htm