今日，頂尖學術期刊《細胞》上發表了一項重量級的研究：來自Salk研究所的Xin Jin教授團隊利用小鼠模型，揭示了大腦控制行為的潛在方式。這個發現也回答了幾十年來的一大爭論，對神經科學具有重要的意義。

▲本研究的通訊作者Xin Jin教授與第一作者Claire Geddes博士（圖片來源：Salk Institute）

我們知道，動物的行為有著復雜的神經學基礎，但我們對背后的機理卻知之甚少。舉例來說，當我們學會系鞋帶時，我們大腦中的紋狀體會指揮一系列動作——我們先要蹲下，抓起鞋帶，再打上一個牢固的結。看起來簡單無比的幾個動作，卻難倒了許多神經科學家。一部分科學家們認為，這些動作之間只是簡單的觸發關系。這就像多米諾骨牌一樣，前一個動作的發生，觸發了后一個動作；但另一些科學家們則不這么看。他們相信行為也許有一個更為復雜的組織框架，就好像是項目的流程圖一樣，有著多層調控。

“幾十年來，科學家們一直在爭論，大腦如何控制行為，”該研究的負責人Xin Jin教授說道：“使用光遺傳學，我們能利用光來控制腦細胞的活性，并從而改變動物個體原本想要執行的行為。這些結果表明，行為受到了非常精準的神經控制。”

在這項研究中，科學家們首先教會了小鼠一套“舞步”。在飼養小鼠的籠子中，科學家們一左一右裝上了兩根杠桿。如果小鼠按“左-左-右-右”的順序按下這些杠桿，就會得到獎勵。

▲同樣是“左-左-右-右”的舞步，研究人員們有兩種不同的解釋（圖片來源：Salk Institute）

在這些小鼠學習“舞步”的過程中，科學家們也沒忘記對它們的大腦進行監控。研究發現，在小鼠按下杠桿時，大腦中的D1與D2神經元得到了激活。它們在紋狀體中占了細胞的大多數，且對于行為的學習與執行有著潛在的作用。

會不會是這些神經元決定了小鼠的行為呢？為了回答這個問題，科學家們使用光遺傳學技術或是白喉毒素，分別去激活和抑制這些神經元。而這個簡單的實驗，揭示了D1和D2神經元對于行為的重要控制作用。

當他們激活D1神經元時，小鼠會額外按下一次杠桿。而當D2神經元被激活時，小鼠則會“跳過”下一個按杠桿的動作。通過調控這兩類神經元，科學家們闡明了大腦如何將行為順序進行整理和學習。

▲研究人員們揭示了大腦調控行為的復雜方式（圖片來源：《細胞》）

“神經元就像是雪花一樣（沒有兩片是相同的），”該研究的第一作者Claire Geddes博士說道：“D1和D2神經元有類似的模式，但它們做的工作并不一樣。它們用復雜的模式一同工作，控制行為。”

綜合這些研究結果，科學家們指出，大腦可能有著三層調控機制。最低的一層按順序執行行為，最高的一層只在行為開始和結束時有所參與，而中間一層則在每個步驟的轉化時激活神經元。為了便于我們理解，Salk研究所的新聞報道里還給我們做了一個類比：最低一層調控就像是低級的管理人員一樣，負責項目的每個細節；最高一層調控就好像是公司的高管，主要負責項目的啟動和完成。而中間一層就好比是中級管理人員，在兩者之間充當溝通者。

研究人員們表明，他們的工作揭示了神經行為細微而又復雜的一面，有助于解釋為何我們能靈活地執行學到的行為。“我對這項成果表示興奮，它解決了長期以來關于行為神經學的一個根本問題的爭論，” Xin Jin教授評論道：“此外，我們發現了不同類型的細胞如何影響我們的行為，這為許多神經疾病的治療提供了新的洞見。”

我們期待這項發現能早日轉化為創新療法。到了那一天，諸如強迫癥等無法控制行為的疾病，或許將不再成為困擾。

參考資料：

[1] Optogenetic Editing Reveals the Hierarchical Organization of Learned Action Sequences

[2] How the office org chart in your brain helps to organize your actions

原標題：Cell重磅：華人學者也許找到了大腦運作的真正方式