熊蜂情境依赖性的价值评估及其神经环路计算模型

Context-dependent valuation of alternative options has been demonstrated across taxa; the context and the physical property of different options may jointly determine the outcome of the valuation, and yet the underlying neural mechanism remains elusive. Bumblebees manifest advanced cognitive capacities that can be even on a par with mammals while adopting simple and limited neural circuits, which makes them ideal models to study the neural basis of the valuation process. The preliminary result of this project indicates, that the valuation of alternative foraging options by bumblebees could depend on either the context or the physical property. The earlier research by our team has also shown that the computational models of the bee mushroom body circuit can help in understanding the underlying neural mechanisms of multiple advanced cognitive feats of the miniature brain. Moreover, the putative opctopaminergic reward signaling pathway and the mushroom body feedback inhibition pathway have recently been proposed to play a key role in context value encoding. Taken together, we here hypothesize that the valuation of foraging options among Bumblebees may be determined by an integration of the context and the physical property, and this can be reproduced by a computational model that incorporates the mushroom body circuit, the reward pathway and the inhibitory feedback pathway. In this project, we are going to characterize bumblebee context-dependent valuation behavior on the one hand, and perform biologically constraint computational modelling on the other, to explore the mechanism of context and value encoding at the neural circuit level, and to provide insights for further understanding of the neural basis underpinning context-dependent valuation.

多物种研究表明，情境影响决策者对不同备择方案的价值评估。并且，情境可能与物理属性叠加，共同决定价值评估的结果，但其神经环路机制尚不明确。熊蜂具有与高等动物可比的高等认知能力和相对简单的神经环路，是研究价值编码神经基础的理想模式生物。本项目预实验结果提示，情境与物理属性均可影响熊蜂的价值评估。我们前期研究展示，蘑菇体神经环路计算模型可以帮助理解蜂类多种认知能力的神经机制。此外，近期研究发现，蜂类奖赏通路及蘑菇体负反馈回路可能是情境价值编码的关键。综上，我们推测：情境与物理属性可能共同参与熊蜂价值评估，可由整合了蘑菇体神经环路、奖赏通路和负反馈回路的计算模型再现。本项目拟通过行为实验和计算仿真的方法，阐明情境和物理属性对熊蜂价值评估的具体作用，探索情境和物理属性在神经环路层面的编码机制，为理解情境依赖性决策的一般神经基础提供新思路。

决策的过程通常是对各备选方案进行比较，然后选择利益最大化方案的过程。决策者对于不同选择价值的判断，既可能取决于不同选择自身物理属性或绝对价值，也可能受不同选择所处的情境或相对价值的影响。包括人类、猴类、鸟类、昆虫乃至单细胞生物的大量研究表明，动物普遍会违背理性决策假设，呈现出受情境影响的价值判断，但是备择方案的绝对价值和情境所产生的比较价值究竟是如何影响决策者的价值评判尚不完全明确。本项目通过逻辑递进的系列行为实验，在熊蜂中证实了情境的比较价值会对其决策产生显著影响，并意外的发现，熊蜂的觅食偏好主要由备择方案的比较价值决定，而不受其绝对价值的影响；我们通过实验分别设置时间和空间上对情境的分割，发现时间上而非空间上的连续性是情境能对熊蜂决策产生影响的必要条件。总体上我们发现与人和猴类等高级动物类似，进化上起源更早的昆虫也展现出决策由比较价值主导的现象；我们对于时间和空间上的同时性之于情境效应的探索则为比较价值的产生条件和行为机制提供了启示，为后续价值评估的行为与神经机制研究提供了新思路。此外，我们建立了熊蜂颜色刺激加工的神经环路计算模型，也通过实验展示了熊蜂价值评估在不同实验范式下的灵活性，为后续的计算模型研究提供了工具基础，也为后续行为研究的实验设计提供了参考。