人类大脑中首次测量的多巴胺揭示了我们学习的方式

弗吉尼亚理工学院Carilion研究所的科学家报告了帕金森病患者大脑中多巴胺释放的测量，其时间精度前所未有。这些测量数据是在进行脑部手术时，神志清醒的患者在玩投资游戏时收集的，它们证明了多巴胺的快速释放是如何编码对人类选择至关重要的信息的。

这一发现可能不仅对帕金森病有广泛的影响，对其他神经和精神疾病也有广泛的影响，包括抑郁症和成瘾。

研究人员检测到多巴胺水平的变化比之前在人类中记录的快1000倍。这些快速测量，结合增强的化学特异性，使科学家们发现多巴胺——一种参与学习和决策的关键神经递质——的作用比以前想象的要复杂得多。

这项研究今天发表在美国国家科学院院刊．

维吉尼亚理工学院Carilion研究所人类神经成像实验室主任、该论文的高级作者里德·蒙塔古(Read Montague)说:“对非人类模式生物20多年的研究，描绘了一幅非常具体的图景，即多巴胺在指导人类行为方面的可疑作用。”“现在，通过这些首次直接在人体中进行的测量，我们发现这张照片非常不完整。”

蒙塔古和他的团队与威克森林大学健康科学学院的神经外科医生——斯蒂芬·塔特、阿德里安·拉克斯顿和已故的托马斯·埃利斯——合作，测量帕金森氏症患者在接受植入深部脑刺激电极手术时的多巴胺信号。深部脑刺激已被证明可以缓解帕金森病的症状。

17名患者自愿让蒙塔古的团队记录他们在植入手术期间的多巴胺信号。

该论文的第一作者、弗吉尼亚理工学院卡迪隆研究所的研究科学家岸田健(Ken Kishida)说:“我们正在研究一个正在崩溃的大脑系统。”“帕金森病的特点是多巴胺释放神经元死亡，我们正试图了解疾病过程的潜在机制。”

岸田和蒙塔古都注意到自愿参加这项研究的患者的慷慨。

岸田文雄说:“这种测量多巴胺信号的途径是无价的。”“我们已经在17个人身上做了这些测量，比以前多了17个人。”

为了捕捉多巴胺信号，特别是在多巴胺活性较低的人群中，研究人员必须开发极其敏感的方法。

他们修改了以前用于测量啮齿动物多巴胺波动的碳纤维电极，使其与人类临床手术的手术需求相结合，以减少患者的风险和手术时间。外科医生将电极放置在每个病人的纹状体中，靠近大脑中心。

研究人员在清醒的患者玩投资游戏时，读取了他们超快的多巴胺脉冲。他们希望看到多巴胺反应与预期奖励和实际结果直接相关。他们没有。

“我们分析了大约一千次多巴胺脉冲的数据集，结果是平坦的，”蒙塔古说，他也是弗吉尼亚理工大学科学学院的物理学教授，也是弗吉尼亚理工学院卡隆研究所计算精神病学部门的主任。“这些信号无法区分积极的反应和消极的反应。”

科学家们使用快速扫描循环伏安法来测量患者大脑中多巴胺的脉冲。这种电化学技术允许对大脑中的化学活动进行近乎连续的测量。

在这种情况下，它被用来测量多巴胺信号每秒10次，持续几分钟，同时患者做出经济上有风险的决定。

岸田文雄说:“这在技术上非常具有挑战性。”“但是，因此，我们已经能够在人们做决定时测量对学习很重要的神经化学物质的变化。”

一旦研究人员有了测量结果，他们就开始分析多巴胺实际上发出了什么信号。他们使用了新的机器学习方法，这种方法使用了几种计算工具，帮助科学家更深入地研究数据，并得出更细致入微的信息。

“我们发现多巴胺追踪两个因素——发生了什么和可能发生什么，”蒙塔古说。“我们的多巴胺神经元似乎在追踪某件事是可以变得更好还是更糟，而这些信息被编码在大脑的快速变化中多巴胺的释放．这些发现可能开始从计算角度揭示帕金森患者的多巴胺系统中缺失了什么。”

自从蒙塔古第一次对多巴胺信号机制进行计算研究以来，这些发现已经酝酿了20多年。

“多巴胺编码了所谓的奖励预测错误——奖励期望和实际体验之间的持续差异，”蒙塔古说。“通过多巴胺信号，我们可以看到一个人何时期待奖励，以及这个人是否收到奖励。但在我们最近的研究中，我们发现这个早期的奖励预测误差模型是不完整的。相反，多巴胺脉冲似乎结合了可能发生的信息和实际发生的信息。这是观察多巴胺信号在人脑中的作用的一种全新方式。”

“本来可以怎样”是人们评估实际结果的一部分，这一观点并不新鲜。但没有人预料到多巴胺会在人脑中发挥整合这些信息的作用。

“我们把两个已知的计算模型结合到一个新的东西上，”蒙塔古说。

“在这样做的过程中，我们发现多巴胺追踪并将两种信息流组合成一个化学脉冲。”

现在，研究人员已经测量了个体多巴胺信号的多种作用，他们有更多的途径来探索人类大脑在健康和疾病中的学习系统。

布朗大学布朗脑科学研究所认知、语言和心理科学副教授迈克尔·弗兰克说:“这项研究的作者结合了从清醒的人类大脑深处直接收集数据的难得机会，以及提取神经化学信号的复杂方法。”弗兰克没有参与这项研究。

弗兰克说，这些研究结果也有助于理解多巴胺系统的其他紊乱。

弗兰克说:“这些发现改变了我们对奖励引导决策的思考方式，因为它允许学习信号更多地了解‘本来可能’发生的事情。”“这种理解可能会更有效地改善未来的选择。”

蒙塔古和他的同事们正在努力了解他们的发现是否适用于没有帕金森氏症的人。科学家们之前使用功能性磁共振成像进行的研究表明，这种新模型在健康个体中也适用。然而，之前的工作缺乏该团队新测量的精度。

“进行这种测量的能力是一个突破，”蒙塔古说，他指出他并没有轻率地使用这个词。“这些精确、实时的测量多巴胺人类大脑中的编码事件将帮助我们理解健康和疾病的决策机制。”