科学家发现了大脑是如何控制行为冲动的
这是最后一场比赛。八名运动员在跑道上排成一排，他们的脚紧靠着起跑线。他们听到倒数:“各就各位!”、“准备好”，然后，就在枪声响起前的几分之一秒，一名赛跑者冲上前去，取消了比赛资格。正是在这样的时刻，一个通常被忽视的行为方面——行为抑制——痛苦地显现出来。
今天发表在杂志上的一项研究自然揭示了大脑是如何阻止我们过早行动的。“我们发现大脑中有一个区域负责驱动行为，另一个区域负责抑制这种驱动。我们也可以通过操纵这些区域的神经元来触发冲动行为，”该研究的资深作者、葡萄牙尚帕利莫神经科学项目主任乔·帕顿说。
解开谜题
佩顿的团队开始着手解决一个部分由帕金森氏症和亨廷顿氏症引起的难题。这些症状表现为运动障碍，症状大体相反。当亨廷顿氏症患者遭受不受控制的、不自主的运动时，帕金森氏症患者挣扎于开始行动。特别的是，这两种情况都源于同一个大脑区域的功能障碍:基底神经节。相同的结构如何支持相互矛盾的功能?
Paton说，从过去的研究中发现了一个有价值的线索，即在基底神经节中发现了两个主要的回路:直接通路和间接通路。人们认为，虽然活动直接通路促进运动，间接通路抑制运动。然而，这种相互作用的精确方式在很大程度上是未知的。
一个有转折的计时任务
佩顿对这个问题采取了独创的方法。之前的研究研究了运动过程中的基底神经节，而佩顿的团队则专注于主动行为抑制。
该团队设计了一项任务，让老鼠判断两个音调之间的间隔是长于还是短于1.5秒。如果时间较短，奖励就会出现在盒子的左侧，如果时间较长，奖励就会出现在右边。
“关键是，老鼠必须在两种音调之间的时间段保持完全静止，”实验室的博士生布鲁诺·克鲁兹(Bruno Cruz)说。“所以，即使动物确定1.5秒的标记已经过去了，它也需要抑制住移动的冲动，直到第二个声音响起，然后才会去获得奖励。”
冲动“开关”
当老鼠执行这项任务时，研究人员追踪了这两条通路的神经活动。与过去的研究一样，当老鼠移动时，活动水平是相似的。然而，在行动抑制时期，情况发生了变化。
“有趣的是，与我们和其他人在运动过程中观察到的共激活不同，在动作抑制期间，两种途径的活动模式显著不同。间接通路的活动总体上更高，并且在老鼠等待第二声音调时持续增加，”克鲁兹说。
根据作者的说法，这一观察表明，间接途径灵活地支持动物的行为目标。“随着时间的推移，老鼠变得更加自信，认为这是一个‘长间隔’试验。因此，它移动的冲动变得越来越难以抑制。这种活动的持续增加很可能反映了这种内部斗争，”克鲁兹解释说。
在这个想法的启发下，Cruz测试了抑制间接途径的效果。这种操作导致老鼠的行为更加冲动，显著增加了它们过早冲向奖励端口的试验次数。通过这种创新的方法，该团队有效地发现了一个“冲动开关”。
“这一发现具有广泛的意义，”佩顿反思道。“除了与帕金森氏症和亨廷顿氏症明显相关外，它还提供了一个独特的机会来研究冲动控制的情况，如上瘾和强迫症。”
寻找行动的动力
研究小组发现，大脑中有一个区域会积极抑制行动的冲动，但这种冲动来自哪里?由于直接通路被认为是促进行动的途径，直接怀疑是同一区域的直接通路。然而，当研究人员抑制老鼠的行为时，它的行为几乎不受影响。
“我们知道老鼠正在经历一种强烈的行动动力，因为消除抑制促进了冲动行为。但目前还不清楚活动推广地点还能在哪里。为了回答这个问题，我们决定转向计算建模，”帕顿回忆道。
“数学模型对于理解像这样的复杂系统非常有用，”实验室的博士生Gonçalo Guiomar补充道。“我们收集了积累的关于基底神经节的知识，用数学方法表述了它，并测试了系统如何处理信息。然后，我们将模型的预测与之前研究的证据结合起来，发现了一个很有希望的新候选者:背内侧纹状体。”
该团队的假设是正确的。在这个新区域抑制直接通路的神经元足以改变老鼠的行为。“我们记录的两个区域都位于基底神经节称为纹状体的部分。第一个区域负责所谓的‘低水平’运动感觉功能，第二个区域专门负责决策等‘高水平’功能。”
从行动到诱惑和超越
作者认为，他们的发现与人们对基底神经节如何运作的普遍认识相反，基底神经节更集中，他们的模型为大脑如何运作提供了一个新的视角基底神经节操作。
“我们的研究表明，大脑中可能存在多个神经回路，它们在不断竞争下一步要执行的动作。这种洞察力对于更深入地理解这个系统是如何工作的很重要，这对于治疗某些疾病是必要的运动障碍但它还不止于此，”帕顿说。“神经科学的观察是许多机器学习和人工智能技术的核心。决策可以通过同一系统内众多并行电路的相互作用来进行，这一想法可能对设计新型智能系统有用。”
最后，帕顿认为，也许这项研究最独特的方面之一是它能够访问内在认知体验。“冲动、诱惑……这些内部过程是大脑所做的最迷人的事情，因为它们反映了我们的内心生活。”但它们也是最难研究的，因为它们没有很多我们可以测量的外在迹象。建立这种新方法很有挑战性，但现在我们有了一个强大的工具来研究内部机制，比如那些与抵抗和屈服于诱惑有关的机制，”帕顿总结道。
进一步探索
