脑内“双刃剑”：多巴胺与血清素的对立与平衡
脑内“双刃剑”：多巴胺与血清素的对立与平衡
图源：Pixabay
最近，斯坦福大学吴采神经科学研究所的一项研究揭示了两种关键大脑化学物质——多巴胺和血清素之间的相互作用，展示了它们在塑造我们决策和学习过程中的“对立统一”关系。这项发表在《自然》杂志上的研究首次证明，多巴胺和血清素像“油门和刹车”一样共同作用，影响我们如何从奖励中学习。这一发现具有广泛的意义，从理解日常决策到开发针对成瘾、抑郁和帕金森病等神经和精神疾病的治疗方法。
多巴胺和血清素对人类行为的许多方面都至关重要，包括奖励处理和决策。这两种神经递质也与多种心理健康问题有关。虽然之前的研究已经确定了它们各自的角色——多巴胺与奖励预测和寻求相关，而血清素则促进长期思考和耐心——但它们之间相互作用的具体机制一直是个谜。
有两种相互对立的理论试图解释它们之间的动态关系：“协同假说”认为多巴胺关注即时奖励，血清素关注长期收益；而“对立假说”则认为两者作用相反，多巴胺鼓励冲动行为，血清素则促进克制。斯坦福的研究团队利用先进的实验方法，直接验证了这些理论。
“几十年来，我们已经知道多巴胺和血清素在奖励相关功能中起作用，并且它们通过作用于一组共同的大脑区域来实现这一点。这意味着多巴胺和血清素系统共同驱动学习，但它们具体如何协作一直是该领域的争议性话题，”研究作者、斯坦福大学精神病学与行为科学系博士后学者丹尼尔·F·卡多佐·平托（Daniel F. Cardozo Pinto）解释道。
“2018年左右我们启动这个项目时，基因工具的进步让我们首次能够尝试同时研究多巴胺和血清素系统。一旦我们成功实现了这一点，我们就知道我们有了一种新工具，可以揭开这个古老而迷人的问题的谜底。”
研究小组设计了一组小鼠，使他们能够同时观察和操纵多巴胺和血清素的活动。这些小鼠经过特殊的基因改造，使研究人员能够利用光来控制神经递质，这种技术被称为光遗传学（Optogenetics）。
实验聚焦于一个名为伏隔核的大脑区域，该区域对动机、情绪和奖励处理至关重要。研究人员训练小鼠将特定线索（如音调和闪光）与甜味奖励联系起来。在学习过程中，研究人员记录了多巴胺和血清素的信号，并观察它们如何随奖励和线索的变化而变化。
伏隔核位置
他们发现，多巴胺和血清素的活动呈相反方向变化：多巴胺随奖励信号增加，而血清素则减少。这支持了“对立假说”，表明这两种神经递质在决策和学习过程中扮演着对立的力量。
为了进一步验证这一动态，团队利用光遗传学在学习任务中选择性地阻断或恢复多巴胺和血清素的活动。当多巴胺和血清素的信号都被抑制时，小鼠无法学习奖励线索。令人惊讶的是，单独恢复任何一种神经递质都不足以恢复学习能力。只有当两种系统都活跃时，小鼠才能有效地将线索与奖励联系起来。
在另一项相关实验中，研究人员测试了小鼠对不同大脑状态的偏好，这些状态通过操控多巴胺和血清素来诱导。结果显示，小鼠始终偏好多巴胺增加和血清素减少的体验——这为“对立模型”提供了直接的行为证据。
“简而言之，我们发现多巴胺和血清素信号在哺乳动物大脑中形成了一个‘油门－刹车’系统，共同作用于奖励处理，”卡多佐·平托解释道。“更具体地说，我们发现，当小鼠摄入糖奖励时，关键奖励中心的多巴胺水平上升，而血清素水平下降。在后续实验中，我们进一步证明，人工模拟这两种奖励信号——多巴胺增加和血清素减少——比单独使用任何一种信号更能驱动奖励学习。据我们所知，这项研究首次直接证明了多巴胺和血清素之间的对立关系。”
这些结果对理解涉及多巴胺和血清素功能失调的疾病具有重要意义。例如，成瘾与多巴胺活动过度有关，导致强迫性奖励寻求行为；而抑郁症则与血清素活动减少有关，可能损害行为灵活性和长期规划能力。
研究人员认为，未来的治疗方法可以针对多巴胺和血清素之间的平衡。例如，成瘾治疗可能旨在减少多巴胺活动，同时增强血清素信号；而抑郁症治疗则可能专注于加强两种系统，以恢复动力和决策能力。
虽然研究结果令人信服，但也有局限性。实验是在小鼠身上进行的，虽然小鼠是神经科学的重要模型，但可能无法完全反映人脑功能的复杂性。未来的研究可以调查这些神经递质系统在不同环境下的功能，如社会行为或压力。这项研究开发的工具可以精确控制和观察多种神经递质，也可以应用于其他大脑化学物质和回路。
总体而言，这项研究强调了多巴胺和血清素平衡在塑造行为和决策中的重要性。通过揭示这两种神经递质如何对立作用，研究人员为理解大脑以及解决这种平衡被破坏时出现的疾病开辟了新的途径。
“我们的一个主要目标是更好地理解奖励处理障碍（如抑郁症和成瘾）的根本原因。我们发现多巴胺和血清素的对立关系令人兴奋，因为它为这些领域开辟了重要的新研究方向，”卡多佐·平托解释道。“例如，我们的研究可能有助于解释为什么同时释放多巴胺和血清素的药物比主要释放多巴胺的药物滥用潜力更低。总的来说，我们的研究表明，多巴胺和血清素之间的相对平衡可能在这些疾病的病因中扮演着关键且此前未被充分认识的角色。”