关于大脑血清素系统动态特性的引人注目新见解

由渥太华大学医学院主导的一项研究发表于Nature Neuroscience，为这些重大问题提供了新见解。该研究揭示了中脑神秘区域神经处理的一个普遍原理，该区域正是我们中枢5-羟色胺（5-HT）系统的起源——这是神经系统的一个关键部分，参与广泛的认知和行为功能。

"当前的主流模型认为单个5-羟色胺神经元彼此独立运作。虽然此前曾有人提出5-羟色胺神经元可能相互连接，但从未被直接证实。这正是我们在此所做的工作。我们还发现了一种由这种特定神经元连接类型支持的、引人入胜的处理作用——或者说一种计算机制，"该医学院细胞与分子医学系正教授、渥太华大学脑与心智研究所神经动力学与人工智能中心联合主任Jean-Claude Béïque博士解释道。

该国际研究团队的工作融合了多种实验方法，如电生理学、细胞成像、光遗传学和行为学方法，并辅以数学建模和计算机模拟。

取得突破

那么，脑干中聚集的5-羟色胺神经元并非各自独立的执行单元，而是实际上向大脑其他区域发送轴突，这究竟意味着什么？

"在我看来，这篇论文的主要结论是：哺乳动物的5-羟色胺系统在解剖结构和功能上远比我们此前想象的复杂得多。这些知识可能有助于开发针对重度抑郁症等情绪障碍的靶向疗法，"该研究的第一作者、Béïque博士医学院实验室前成员Michael Lynn博士表示。

Lynn博士于2023年10月获得渥太华大学神经科学博士学位，目前在牛津大学生理学、解剖学和遗传学系从事博士后研究。

他表示团队的研究结果之所以重要，是因为研究揭示了存在具有各自活动模式的、不同的5-羟色胺神经元群组，每个群组控制着大脑特定区域的5-羟色胺释放。这对神经科学中的"赢家通吃"原则具有启示意义——该原理应用于神经网络的计算模型中，神经元本质上通过竞争获得激活。

"论文揭示的新原理表明，在某些情境下这些不同神经元群组会产生相互作用：具有高活性的'获胜'5-羟色胺神经元群组会强烈抑制活性水平较低的'失败'群组的5-羟色胺释放，"他解释道。"这些发现意味着关于5-羟色胺如何及何时在整个大脑释放的规则更为复杂、动态，与旧观点中将信号视为单一整体的看法形成对比。"

决策机制

该团队的研究对我们的大脑——这个拥有极其复杂神经元布线、包含大量交织连接的器官——如何参与日常决策具有启示意义。

他们确定了外侧缰核如何最终控制5-羟色胺神经元的活动。外侧缰核在我们感到沮丧时会被激活，并且与重度抑郁症有关。此外，缰核神经元被认为能编码从特定环境甚至我们自身行为中感知到的威胁程度。

Béïque博士这样解释："我们是从泳池的高台跳水板跳下？还是只从低台跳下？我们会走进那条漆黑的小巷，还是避开它？黑暗到什么程度才算太黑？我们的大脑必须以某种方式计算世界的特征——包括特定环境的威胁程度——并得出二元输出：行动，或不行动。"

"我们认为我们发现了一条参与该计算的神经回路，正是这种计算指导着我们的日常决策，"他说。

后续研究

在通过多年严谨创新的5-羟色胺系统研究取得进展后，该团队下一步计划是什么？他们的目标是专注于小鼠模型的行为研究。

"目前我们所发现的计算机制的行为表现是在某种程度上人为的行为环境中观察到的。我们正在尝试观察当小鼠处于更自然的环境时是否会出现类似现象，"Béïque博士表示。

这篇发表于Nature Neuroscience的新论文汇聚了人才济济的研究团队，其中包括渥太华大学医学院的计算神经科学家Richard Naud博士（他最近在Nature发表了一篇5-羟色胺相关研究的资深作者）以及渥太华大学创新与合作伙伴关系总监Sean Geddes。