大脑奖惩系统自上而下的神经调控机制
时间: 2017-07-27 09:25     作者: 王晔

为了更好的生存,人和动物往往需要把奖赏最大化,把惩罚和威胁最小化。这个过程是由大脑中的前扣带皮层(anterior cingulate cortex, ACC)来调控的。ACC位于前额叶,是高级认知中枢所在。然而,ACC对奖惩的调控机制并不清楚。根据目前的研究结果,对于ACC的作用机制,科学家们提出了四种假说。

1. ACC会根据奖惩信息的价值进行排序,单个ACC中的神经元既编码奖励信息,又编码惩罚信息。然后把这些价值信号传递给其他的脑区,进而做出行动。

2. ACC更倾向于编码惩罚信息。

3. ACC会编码预测误差(即理想与现实的差距),而非绝对的价值信息。

4. ACC会处理一些不确定的信息和其他的学习相关变量。

 

以上假说之间既有相同之处,又看似矛盾。我认为这是典型的“盲人摸象”现象。由于大脑中神经元众多,结构复杂,研究方法多种多样,不同的研究有不同的倾向性,得到的也只是在某一个研究方法中某一尺度下的研究结果。因此,我们需要整合不同的研究信息,即整合所有盲人认为大象的样子,试图还原大象的真实面目,也就是ACC的综合调控机制。

 

为了更清楚的认识ACC,Monosov设计了一个经典的条件反射实验。实验中,猴子会建立图片刺激与奖赏(Juice)、惩罚(Airpuff)或者不确定信息之间的关系,同时记录了猴子ACC区域中329个神经元的电活动。

 

 

通过分析每个神经元对刺激的响应,科学家惊奇的发现,有的神经元对惩罚响应强烈,对奖赏毫无反应,有的神经元对奖赏响应强烈,而对惩罚毫无反应。

 

 

总结下来,ACC中至少存在四种不同响应模式的神经元,分别是惩罚正相关编码型(Punishment (+) coding),奖赏正相关编码型(Reward (+) coding),奖赏负相关编码型(Reward (-) coding)和动机强度编码型(Motivational intensity(+))。

 

 

我们来进一步看看一个典型的惩罚正相关编码型神经元的电活动:

 

 

以及一个典型的奖赏正相关编码型神经元的电活动:

 

 

写到这里,我觉得我们的大脑真是太奇妙了。为了编码奖励和惩罚信息,ACC中包含了多种不同偏好的神经元,这些神经元构成了不同的神经环路,可以在不同的时间尺度上对奖赏、惩罚和不确定性状态起到自上而下的调控作用。这个研究结果整合并统一了开始提到的四个假说,让我们对ACC的“真实形象”有了更加清楚和深刻的认识。

 

参考文献:
IIya E. Monosov, Anterior cingulate is a source of valence-specific information about value and uncertainty. Nature Communications. 2017.

 

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