Nature：骆利群教授联合光遗传之父，揭示在饥渴时大脑如何决定是吃还是喝

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

古希腊哲学家亚里士多德曾提出过一个哲学困境——一个饥饿和口渴程度相同的人，面对等距离的食物和水，他该如何做出理性选择，是否会停留在二者之间。而在14世纪，法国哲学家布里丹也曾提出类似的问题——布里丹之驴，他指出，一只完全理性的驴恰好处于两堆等量等质的干草的正中间，它将因为难以选择该吃哪一堆干草而饿死。

做出选择是一件困难的事情。即使我们知道自己想要什么，我们的选择也经常会让其他事情悬而未决。但是包括人类在内的动物在不断地做出选择，他们执行灵活的目标导向的行为以满足基本生理需求。 那么，大脑是如何通过相互冲突的信号来指挥“交通”，从而没有像“布里丹之驴”那样无法做出选择呢 ？

有些人在面临难以抉择的二选一场景时，选择抛硬币的方式来帮助自己决策，但实际上，当硬币抛向空中的那一刻，就已经知道了自己内心真正的选择（你希望出现的一面就是你的真正的选择）。这也是人类所面临的“布里丹之驴”困境。

2023年11月8日，斯坦福大学骆利群教授团队与Karl Deisseroth教授团队合作，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为： Neural landscape diffusion resolves conflicts between needs across time 的研究论文。

该研究调查了大脑如何解决基本需求之间的冲突，他们让又饿又渴的小鼠有同等机会获得食物和水，而小鼠接下来的行为让他们感到惊讶。一些小鼠首先选择喝水，而另一些则首先选择食物，然后，进入一个看似“随机”的放纵时期，在食物和水之间来回切换。

研究团队认为， 小鼠通过将它们的选择结构化为具有随机转变的持续性回合来收集适合需要的奖励。 研究团队还开发了一个数学模型，能够成功预测小鼠的选择行为和神经数据。这项研究 为解决跨时间需求之间的冲突提供了一种通用框架，该框架指出，“布里丹之驴”在做出选择之前就已经下定决心，如果它被迫等待，那么它的选择可能会自发地改变。

尽管神经生物学研究已经比较了饥饿和口渴的神经回路和行为特性以及它们之间的相互作用，但这些需求还没有在一个相互冲突的、每时每刻的背景下进行研究。

研究团队认为，布里丹之驴的困境凸显了将需求与动机行为联系起来的不完整的概念框架，即缺乏神经生物学解释，无法解释相互冲突的需求如何在一段时间内共同组织行为。

一个更完整的跨时间解决相互冲突需求的框架应该：1）将个体需求的强度和显著性与任何给定时刻的行为选择联系起来；2）确定行为选择的神经基础；3）解释需求适当行为之间切换的动态。

在这项研究中，研究团队设计了一个“布里丹实验” ，在该实验中，同时饥饿和口渴的小鼠被反复给予满足一种需求或另一种需求的自由选择，但不能同时满足两者 。小鼠被限制食物和水，头部被束缚，并被放置在两个同样可接近的奖励喷嘴前，喷嘴提供水或咸味液体食物。

研究团队改良了嗅觉Go/No-Go实验，Go气味表示 食物和水奖励都可用，但 在给定的试验中分配哪种奖励取决于小鼠的自由选择，由它们第一次舔的方向决定。 No-Go气味表示奖励不可用。 Go气味试验（67%频率）与No-Go气味试验（33%频率）随机交错。 小鼠学会了在Go气味时选择食物或水，并在No-Go气味和可变的试验间隔期间拒绝选择。这些 训练过的小鼠做出了适当的奖励选择： 食物限制小鼠大多选择食物奖励； 水限制小鼠大多选择水奖励； 食 物和水都被限制的小鼠同时选择食物和水奖励。

如果饥饿或口渴直接促使小鼠进食或饮水，当一种需求大于另一种需求时，它就会转换行为。而当需求相等时，小鼠就会被卡住而不知所措。但这项研究中，研究团队并没有观察到这种现象。这表明，口渴和饥饿不会直接影响行为，而是更间接地调控行为。

我们通常认为，选择是一个决定性的时刻。研究团队想了解大脑在何时何地做出食物和水之间的选择，他们监测了散布在小鼠大脑中的单个神经元的活动。令人惊讶的是，他们发现，大脑中的神经元活动模式甚至在给小鼠提供选项之前就预测了其选择—— 大脑不是在某个时刻做出选择，而是不断地广播它当前的目标。

Karl Deisseroth教授

论文共同通讯作者、Karl Deisseroth教授表示，当选择的选项在重要性上接近平衡，但类别却根本不同时，你做出最艰难的选择的结果可能与你的大脑碰巧处于何种状态有关，甚至在做出选择之前就已经决定了。这是一个有趣的结果，它有助于我们更好地理解人类行为的各个方面。

骆利群教授

论文共同通讯作者骆利群教授进一步解释道： 饥饿和口渴的小鼠经常在突然转变之前重复做出同样的选择。在进食模式下，小鼠会不停地吃，而在饮水模式下，它们会不停地喝。但有一种随机性使它们在这两种模式之间转变。从长远来看，它们可以满足进食和饮水这两种需求，即使在任何特定的时间内它们只选择一种。

为了测试这种明显的随机性，研究团队进行了另一项实验，这次是使用饥饿的小鼠。当它们进食时，研究团队通过光遗传学技术让它们感到口渴。通过光遗传学，用光激活引起口渴的神经元。有时，小鼠会选择转向喝水，有时，它们会选择忽略，继续进食。每次激活的口渴程度都是一样的，因此，研究团队得出结论——有一个关键的随机性影响着小鼠的目标。

但研究团队对这种随机性与饥饿和口渴的相对强度之间的相互作用感到困惑。为了更好地理解它，他们进行了数学建模。受他们的结果与物理学现象分子扩散相似性的启发 ，研究团队借用了 借用、调整和模拟了几组方程。 研究团队惊讶地发现，来自一个看似不相关的学科的几个简单方程可以准确预测小鼠行为和大脑活动方面的情况，建模结果表明，与小鼠的目标有关的大脑活动是不断变化的。 它会被饥饿和口渴等需求所困。 为了逃离和从一个目标转变到另一个目标，小鼠依赖于一系列幸运的随机活动 。 也就是说，口渴和饥饿不是对行为的直接影响，而是通过重塑潜在的能量景观，从而偏离内部目标状态的随机运动，间接驱动行为的转变。

该研究的数据和模型通过一个目标样大脑状态解决了“布里丹之驴”的困境，该状态在神经空间中的位置决定了行为，而不是直接比较相对需求。根据这一框架，“布里丹之驴”在做出选择之前就已经下定决心，如果它被迫等待，那么它的选择可能会自发地改变。

这项工作证实了大脑在做出决策时不断变化的基线状态的重要性。在未来，研究团队将探索是什么设定了基调，以及为什么决策并不总是有意义。

最后，Karl Deisseroth教授表示， 尽管这项工作目前可能还无法解释人类的行为，但它开始揭示一个重要的决策框架。这是基础发现科学，依赖于先进的神经工程，但在内核上，我们解决的是人们一直在思考和经历的普遍问题，开发和应用现代工具来解决这些非常古老、深刻和个性化的问题，是令人兴奋的。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06715-z