中脑腹侧被盖区多巴胺神经元在惩罚学习中的功能

奖励和惩罚如何影响动物的行为，从而让动物能学会对环境的正确反应，是近些年来倍受关注的研究方向。强化学习理论为这类研究提供了理论框架。中脑腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元编码了预测中和实际得到的奖励的差别，为强化学习理论提供了实验依据。但是，多巴胺神经元似乎不光对奖励有正反应，有一些VTA神经元对惩罚信号或者其它环境中的显著信号也有正反应，但这些神经元是否为多巴胺神经元仍然有争议。本研究计划将运用最近几年兴起的光控蛋白通道技术，结合胞外记录技术，试图证明VTA中那些对惩罚信号有反应的神经元确实是多巴胺神经元。在此基础上，我们将运用光遗传学和行为学方法，研究大脑不同脑区多巴胺释放在惩罚性学习机制中的作用。结合解剖学和脑片记录技术，我们将用计算机建模的方法，试图提出关于大脑惩罚性学习如何在大脑回路层次上完成的理论框架。

动物在环境中通过对奖励或者惩罚信息的学习和反应，调整自己的行为模式，对于这一现象，强化学习理论做出很好的理论阐述。在该理论的神经模型中，中脑腹侧背盖区（VTA）占据了重要的地位，VTA内的多巴胺神经元编码对奖励的期望。VTA接收来自全脑各处的投射，对其中奖励信息来源的研究并不深刻。我们以小鼠进食动机为切入点，研究由食物产生的奖励信息如何在腹部苍白球、侧下丘和VTA传递。我们发现，用光遗传方法分别激活腹部苍白球和侧下丘内的GABA神经元，都能显著激活动物的进食，并且另一个行为范式的结果显示这种激活具有显著的奖励效果。腹部苍白球和侧下丘被激活后在还表现出显著不同，侧下丘的激活动物有显著的动机增强，表现为运动速度的加快，而腹部苍白球没有，前者表现出是大范围的食物搜索行为，后者是局部食物搜索。我们之后又进一步研究了腹部苍白球往VTA，以及侧下丘往VTA两个投射各自的功能，我们发现激活侧下丘往VTA的投射后行为产生了明显变化，动物表现出明显的搜索行为，同时进食的增加并不显著，噬咬食物的异常行为消失。而腹部苍把球往VTA投射的功能与腹部苍把球本身没有显著差异，表现出显著的局部搜索行为。VTA作为作为侧下丘和腹部苍白球的共同下游，显然参与到对两种行为的调控。此外，侧下丘还是腹部苍球的下游，三者形成一个三角形的调控关系。由于其复杂性，我们目前没有彻底解出三个核团之间调控模式的模型，但目前的结果在揭示VTA参与不同行为模式已经具有重要的指导意义。