脑循环发现,有助于解释为什么有动力学习随着年龄的增长

学习的动机

研究作者安·格雷贝尔说:“随着年龄的增长,我们很难对事物采取积极的态度。”资料来源:麻省理工学院Christine Daniloff

对小鼠的研究表明,老化对学习作出某些类型的决策来影响脑电路。

随着年龄的增长,人们往往会失去学习新事物或参与日常活动的动力。在一项对老鼠的研究中,麻省理工学院神经科学家现在已经确定了一个大脑回路,它对维持这种动机至关重要。

这一循环对于学习如何做出需要评估特定行动的成本和回报的决策尤为重要。研究人员表明,他们可以通过重新激活这一回路来提高老年老鼠进行这种学习的动机,他们也可以通过抑制这一回路来降低动机。

“随着年龄的增长,我们很难对事物采取积极主动的态度,”麻省理工学院(MIT)研究所教授、麦戈文大脑研究所(McGovern Institute for Brain Research)成员安·格雷贝尔(Ann Graybiel)说。“这种积极主动,或者说是参与,对我们的社会福祉和学习都很重要——如果你不参加和参与,学习就很难。”

格雷贝尔是该研究的资深作者,该研究于2020年10月27日发表细胞.这篇论文的主要作者是亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedman)和艾米丽·休斯克(Emily Hueske),前者曾是麻省理工学院的研究科学家,现在是德克萨斯大学埃尔帕索分校(University of Texas at El Paso)的助理教授。

评估成本和效益

纹状体是基底神经节的一部分,基底神经节是与习惯形成、自主运动控制、情绪和成瘾有关的大脑中心的集合。几十年来,格雷贝尔的实验室一直在研究被称为纹状体的细胞簇,它们分布在纹状体中。格雷比尔多年前就发现了纹状体,但它们的功能一直很神秘,部分原因是它们太小,位于大脑深处,很难用功能性磁共振成像(fMRI)对它们进行成像。

近年来,Friedman, Graybiel和包括麻省理工学院研究员kenichi Amemori在内的同事发现了纹状体扮演一个重要角色以一种被称为接近避免冲突的决策类型。这些决定涉及选择是否以糟糕的方式效果 - 或避免两者 - 当给出具有正面和负元素的给定选项时。这种决定的一个例子必须选择是否采取工作,但迫使远离家人和朋友的工作。这些决定经常挑起很大的焦虑。

在一个相关的研究格雷贝尔的实验室发现,纹状体与黑质细胞相连,黑质是大脑产生多巴胺的主要中心之一。这些研究让研究人员假设,纹状体可能扮演着一个看门人的角色,吸收来自皮层的感觉和情绪信息,并将其整合起来,做出如何行动的决定。这些行为会被产生多巴胺的细胞激活。

研究人员后来发现,慢性压力对这一回路和这种情绪决策有重大影响。在一个2017年的研究在大鼠和小鼠中表演,他们表明,压力的动物更有可能选择高风险,高收益选项,但它们可以通过操纵电路来阻止这种效果。

在新细胞在研究中,研究人员开始调查当老鼠学会如何做这些决定时,在纹状体中发生了什么。为了做到这一点,他们测量并分析了当老鼠学会在积极和消极结果之间进行选择时,纹状体的活动。

在实验期间,小鼠听到两种不同的音调,其中一个是伴随着奖励(糖水),另一个与轻度厌恶刺激(明亮的光)配对的另一个色调。小鼠逐渐了解到,如果他们听到第一口气时,他们会更多地舔出来,他们会得到更多的糖水,如果它们在第二次舔不少,则光线不会像亮相一样明亮。

学习执行这类任务需要为每个成本和每个奖励分配价值。研究人员发现,当小鼠学习这项任务时,纹状体比纹状体的其他部分表现出更高的活性,而且这种活性与小鼠对这两种音调的行为反应有关。这表明,在对特定结果进行主观评价时,纹状体是至关重要的。

“为了生存,为了做你正在做的事情,你需要不断地学习。你需要了解什么对你是好的,什么对你是坏的,”弗里德曼说。

“一个人,或者这种情况鼠标,可能会非常重视奖励,使得经历可能的成本的风险被淹没,而另一种可能希望避免排除所有奖励的成本。Hueeke说,这些可能导致奖励驱动的学习在某些和成本驱动的学习中,“Hueeke说。

研究人员发现,抑制来自前额相皮层的中继信号的抑制性神经元有助于术语,以提高它们的信噪比,有助于产生小鼠评估高成本或高奖励选项时看到的强信号。

失去动机

接下来,研究人员发现,在年龄较大的老鼠中(13到21个月,大致相当于60岁以上的人),老鼠学习这种成本效益分析的参与度下降了。与此同时,与较年轻的小鼠相比,它们的核糖体活性下降。研究人员在患亨廷顿舞蹈病的小鼠模型中发现了类似的动力丧失。亨廷顿舞蹈病是一种影响纹状体及其纹状体的神经退行性疾病。

当研究人员使用基因靶向药物来提高纹状体的活性时,他们发现老鼠在执行任务时更加专注。相反,抑制核糖体活性会导致脱离。

除了正常的年龄相关的衰退,许多心理健康障碍可能会扭曲评估行动成本和回报的能力,从焦虑、抑郁到诸如此类的状况创伤后应激障碍.例如,一个沮丧的人可能会低估潜在的奖励经历,而患有成瘾的人可能会高估毒品,而是像他们的工作或家人一样低估。

研究人员目前正在研究可能刺激这一回路的药物治疗方法,他们建议训练患者通过生物反馈增强这一回路的活动,这可能会提供另一种改善其成本效益评估的潜在方法。

“如果你可以针对奖励和成本的主观评估的主观评估的机制,并且使用能够操纵它的现代技术,无论是精神上还是生物融合,患者都可能能够正确地激活他们的电路,”弗里德曼说。

参考:作者:Alexander Friedman, Emily Hueske, Sabrina M. Drammis, Sebastian E. Toro Arana, Erik D. Nelson, Cody W. Carter, Sebastien Delcasso, Raimundo X. Rodriguez, Hope Lutwak, Kaden S. DiMarco, Qingyang Zhang, Lara I. Rakocevic, Dan Hu, Joshua K. Xiong赵佳佳,Leif G. Gibb, Tomoko Yoshida, Cody A. Siciliano, Thomas J. Diefenbach, Charu Ramakrishnan, Karl deisserth and Ann M. Graybiel, 2020年10月27日,细胞
DOI: 10.1016 / j.cell.2020.09.060

这项研究由CHDI基金会、Saks Kavanaugh基金会、美国国立卫生研究院、Nancy Lurie Marks家庭基金会、Bachmann-Strauss肌张力障碍和帕金森症基金会、William N. and Bernice E. Bumpus基金会、西蒙斯社会大脑中心、Kristin R. Pressman和Jessica J. Pourian ' 13基金,Michael Stiefel和Robert Buxton。

2的评论在“脑电路发现有助于解释为什么有动力学习随着年龄的增长”

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