Nature：揭示“布里丹驴”背后的神经机制

动物面临多重需求仍能作出有序行动。自亚里士多德以来，解决同等需求冲突一直令人困惑。神经研究虽探讨口渴饥饿交互作用，但未详究矛盾背景下需求。

法国哲学家布里丹也提出著名的“布里丹驴”难题：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。“布里丹驴”难题揭示动机行为需求框架不全，缺乏神经生物学的解释。一个全面的框架应该联系起需求的强度与行为选择，并阐明背后的神经基础，以及需求间行为切换的动态过程。

近日，斯坦福大学Karl Deisseroth 教授（光遗传学之父）和骆利群教授等人通过饥饿和口渴的老鼠实验，发现它们通过固定回合随机选择食物或水来获取合适需求的奖励。高密度电生理记录揭示了神经元活动与内部目标状态关联，影响未来选择。数学模型描述了需求状态的扩散，预测了行为和神经反应，为解析需求冲突提供新的理解。

他们的成果发表在最新一期的Nature杂志上，名为 “Neural landscape diffusion resolves conflicts between needs across time”。

冲突需求的选择分析

在本研究中，作者研发了"Buridan’s assay"实验模式，实验中的小鼠需在满足食欲与口渴间自选其一，不能两者兼得（图1b，c）。它们在两个喷口前自由选择喝水或咸味液态食物。在改进的Go/No-Go实验中，Go信号意味着可选择食物或水，取决于小鼠首次舔食方向；No-Go信号则奖励不可得。小鼠学会根据Go信号选择，并在无信号期间停止舔食（图1d）。经训练后，小鼠通过数百次尝试直至饱足。训练结果显示，小鼠会根据自身限制选择适当的奖励。

图1.冲突需求下的奖励选择是由具有随机过渡的持续行为状态构建的。

持续的、随机的选择行为

接下来，作者探究了动物如何在实验期间解决冲突需求。研究发现，当小鼠在分层需求模型中满足一种需求后，会转而满足另一种；而在相对需求模型中，则依据需求不足程度选择奖励，直至平衡，但受摄入反馈延迟影响；在随机模型中，老鼠会任意选择奖励，直到满足这两种需求（图1e）。不过，这些模式均与数据不符。他们观察到，限食水小鼠在被突发的干扰前，会持续选择同种奖励。这种行为模式显示出Markov process特征，即选择依赖于紧邻的前一结果。在需求平衡状态下，相同选择的复发概率超过90%（图1j，k）。研究还发现，即使在需求平衡时，选择转换仍然是随机的，并非由需求平衡决定。通过对RXFP1+神经元进行光遗传刺激，发现这些神经元可激活动物选择水，而这种转变在刺激期间是随机的，并在刺激后持续一段时间。

行为期间的大规模记录

作者研究了小鼠在冲突需求下的选择行为背后的神经机制。通过在额叶至中脑等关键区域放置电生理探针（图2a、b），同步记录了1536个通道的神经活动。分析发现，任务期间不同大脑区域的神经元协同变化，反映了选择的持久性与差异。此外，部分神经元群体响应特定试验阶段，而其他群体则表现出跨选择的持续活动差异。这些功能性集群的神经元在大脑中广泛分布。

图2. 即将到来的行为选择的单位和群体神经相关性。

神经活动预测即将到来的选择

在研究行为选择的持久性时，作者发现这与大脑内部状态紧密相关。分析表明，某些大脑区域的神经元，如下丘脑和中脑，比皮质区更能预测行为选择（图2e）。此外，他们发现大脑广泛区域的神经元基线活动共同构成了分布式的目标状态网络，能高精度预测小鼠的选择，且不受先前奖励的显著影响（图2f-h）。这些发现突显了大脑如何协调目标信息以预测未来行为的潜在机制。

解决需求的前瞻性模型

作者构建了一个模型，整合了行为状态的持久性、随机过渡和需求影响等因素，以及神经元的混合选择性（图3a-b）。他们提出了描述慢动力学的方程，假设神经网络中也存在相似机制。模型通过随机微分方程模拟了需求相关的神经活动在能量landscape中的扩散，以解释行为动态。通过非平衡统计力学，作者定量化了状态平衡和过渡概率，成功拟合了实验数据（图3c-d）。

图3.解决冲突需求的前瞻模型概括了行为。

模型概括了行为数据

通过模拟饥饿与口渴的初始程度，复现了Buridan’s assay的行为。理论、实验和模拟的对比揭示了关键现象的定性与定量一致性（图3e-k）。模拟揭示选择的持久性与实验相似，概率分布随需求变化而无显著差异（图3f-h）。模型还预测选择切换的概率随等待时间增加而升高，与实验数据相符（图3h）。短期口渴刺激的模拟反映了实验结果，显示概率效应和行为变化（图3i-k）。结果显示模型有效捕捉了需求、状态、噪声与行为间的随机联系。

模型预测过渡动态

作者进一步探讨了非直接驱动选择的持续行为如何转换。他们将模型预测的神经动态与实验数据对比，通过“目标维度”评估即将发生的水或食物选择的相关神经活动（图4a，b）。发现这一维度上的活动持续并能预测选择（图4c-d），尤其在行为切换前，其预测性降低。实验结果与噪声驱动的模型一致，显示出行为状态的自然变迁。

图4.模型预测自然行为和光遗传性口渴诱导期间的神经状态过渡动力学。

结论

本研究，作者研究了小鼠在饥饿和口渴驱动下的冲突需求行为及神经机制，以揭示行为调控的基本原则。结果发现，饥饿和口渴的小鼠在寻食与饮水间随机转换，需求大小以概率方式影响行为选择。模型预测与实验结果相符，显示了行为不是由需求直接驱动（图5a），而是大脑状态在神经空间的位置导致的（ 图5b）。这一发现有助于解决类似“布里丹驴”的困境，即行为由目标导向的大脑状态决定，而非需求的直接比较。

图5.Neural landscape diffusion作为跨时间持续组织大脑状态的框架。

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37938783/

参考文献

Richman EB, Ticea N, Allen WE, Deisseroth K, Luo L. Neural landscape diffusion resolves conflicts between needs across time. Nature. 2023 Nov 8. doi: 10.1038/s41586-023-06715-z. Epub ahead of print. PMID: 37938783.

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）