对人类大脑中多巴胺的首次测量揭示了我们如何学习

弗吉尼亚理工大学Carilion研究所的科学家们报告了帕金森病患者大脑中多巴胺释放的测量结果，测量结果在时间上前所未有的精确。这些测量数据是在接受脑部手术时收集的，当时有意识的病人正在玩一个投资游戏。这些数据显示，多巴胺的快速释放是如何编码对人类选择至关重要的信息的。

这些发现可能不仅对帕金森氏症有广泛的影响，而且对其他神经和精神疾病也有广泛的影响，包括抑郁症和成瘾症。

研究人员检测到多巴胺水平的变化比以前记录的人类快一千倍。这些快速的测量，加上增强的化学特异性，让科学家们发现，多巴胺——参与学习和决策的一种关键神经递质——所起的作用比以前想象的要复杂得多。

这项研究今天发表在国家科学院的诉讼程序。

弗吉尼亚理工大学Carilion研究所(Virginia Tech Carilion research Institute)人类神经成像实验室(human Neuroimaging Laboratory)主任、这篇论文的资深作者里德·蒙塔古(Read Montague)说:“对非人类模型生物体的20多年研究已经描绘出了一幅非常具体的画面，说明多巴胺可能在指导人类行为方面发挥了作用。”“而现在，通过这些首次直接对人类进行的测量，我们发现这张照片非常不完整。”

蒙塔古和他的团队与维克森林大学健康科学学院的神经外科医生斯蒂芬·塔特、阿德里安·拉克斯顿和已故的托马斯·埃利斯合作，测量帕金森氏症患者的多巴胺信号，这些患者正在接受植入深部脑刺激电极的手术。深部脑刺激已被证明可以缓解帕金森病的症状。

17名患者自愿让蒙塔古的团队在植入手术中记录他们的多巴胺信号。

“我们正在研究一个在脑中脱落的系统，”弗吉尼亚理工科技考察研究所第一个作者和弗吉尼亚科技考察研究所的研究科学家肯斯基迪达说。“帕金森的疾病的特征在于多巴胺释放神经元的死亡，我们试图了解疾病过程的潜在机制。”

岸田文雄和蒙塔古都注意到了自愿参加这项研究的患者的慷慨。

岸田文雄说:“这种测量多巴胺信号的方法是无价的。”“我们在17个人身上做了这些测量，比以前多了17个人。”

为了捕获多巴胺信号，特别是在具有较低多巴胺活动的人中，研究人员必须培养极其敏感的方法。

他们改进了一种碳纤维电极，以前用于测量啮齿动物的多巴胺波动，以满足人类临床手术的需要，以减少患者的风险和手术时间。外科医生将电极放置在每个病人大脑中心附近的纹状体中。

研究人员随着有意识的患者发挥了投资游戏，研究了超快速多巴胺脉冲的读物。他们希望看到多巴胺反应与预期的奖励和实际结果直接关系。他们没有。

“我们分析了大约一千次多巴胺的数据集，它是平的，”蒙塔梅说，“弗吉尼亚科技科学学院和弗吉尼亚科技考虑研究所的计算精神病学单位主任的物理学教授。“信号没有区分正反应和阴性。”

科学家们使用了快速扫描循环伏安法测量患者大脑中多巴胺的脉冲。这种电化学技术允许近连续测量大脑中的化学活性。

在这种情况下，它被用来测量多巴胺信号每秒10次，持续几分钟，当病人做出财务风险的决定。

“在技术上是非常具有挑战性的，”基希达说。“但是，因此，我们已经能够测量神经化学的变化，这对于人们做出决定时很重要。”

一旦研究人员得到了测量数据，他们就开始分析多巴胺实际上发出了什么信号。他们使用了新的机器学习方法，这种方法使用了多种计算工具，帮助科学家更深入地研究数据，获得更细致的信息。

“我们发现多巴胺追踪两个因素——发生了什么和可能发生了什么，”蒙塔古说。“我们的多巴胺神经元似乎可以追踪某些东西是可以变得更好还是更糟，而这些信息被编码在快速的变化中多巴胺释放。这些发现可能会从计算的角度揭示帕金森患者的多巴胺系统中缺失了什么。”

从蒙塔古第一次对多巴胺信号机制进行计算研究以来，这项研究已经进行了20多年。

蒙塔古说:“多巴胺对所谓的奖励预测错误进行编码——奖励预期和实际经历的奖励之间的持续差异。”“从多巴胺信号，我们可以看到一个人何时期待奖励，以及这个人是否收到奖励。但在我们最近的研究中，我们发现这种早期的奖励预测错误模型是不完整的。相反，多巴胺脉冲似乎将可能发生的事情和实际发生的事情的信息结合起来。这是一种看待多巴胺信号在人脑中的作用的全新方式。”

“本来有什么”的想法是人们如何评估实际结果的一部分并不是新的。但没有人预期多巴胺将在人类大脑中结合这些信息进行工作。

“我们将两个已知的计算模型与新的东西结婚，”蒙塔格说。

“在这样做的过程中，我们发现多巴胺跟踪并将两种信息流结合成一种化学脉冲。”

现在，研究人员已经测量了个体多巴胺信号的多种贡献，他们有更多的途径来探索人类大脑在健康和疾病方面的学习系统。

“本研究的作者结合了难得的机会，即直接从大脑的深度收集数据，以提取神经化学信号的复杂方法，”认知，语言学和心理科学副教授迈克尔·弗兰克说布朗大学脑科学研究所。弗兰克没有参与这项研究。

弗兰克说，研究结果对理解多巴胺系统的其他疾病也有启示。

弗兰克说:“这些发现改变了我们对奖励导向决策的看法，因为它允许学习信号更多地了解‘可能’是什么。”“这种理解可能会更有效地改善未来的选择。”

蒙图和他的同事正在努力了解他们的发现是否适用于没有帕金森的人。使用功能磁共振成像的科学家们的先验研究表明，新模型也应在健康的人中保持真实。然而，以前的工作缺乏团队的新测量的精确度。

“这种测量的能力是一个突破，”蒙塔古说，他注意到他并不是轻易使用这个词。“这些精确、实时的测量多巴胺这将帮助我们理解在健康和疾病方面的决策机制。”

---

---