通过啮齿动物研究决策过程中的神经生物学

Li and Zhu
2019年8月 20日

 

在华东师范大学-纽约大学脑与认知科学联合研究中心(上海纽约大学) ,每一天,都能看到一组由研究生组成的研究团队和近百只鼠一起“共事”。在一天的工作中,他们可能会修补啮齿动物的行为观察箱,设计实验任务以深入研究决策过程的细节,或调试代码定制行为控制系统软件。

这100只啮齿类动物位于研究中心的“Erlich实验室”。在上海纽约大学神经学与认知科学助理教授Jeffrey Erlich的带领下,一组由博士生、博士后研究员和研究人员组成的团队,会对它们进行培训、测试和研究。研究团队主要研究动物行为中所涉及的神经生物学问题:啮齿动物发生移动、做出反应的过程和原因。

上海纽约大学神经科学系博士候选人Josh Mōller-Mara、朱小悦和李刘骏骊,共同参与了这项研究,并分别探索啮齿动物决策的不同方面:感知决策与经济决策的结合(朱);肢体动作背后的决策过程(李);以及压力对经济决策的影响(Mōller-Mara)。Erlich教授说,虽然每位学生研究的侧重点各有不同,但都与实验室的总体目标相契合——拓展人们对于空间注意力、决策,以及神经生物学所扮演角色的认知。

上海纽约大学博士项目于2015年启动,这三位研究生也是该博士项目的首届学生。其中,Mōller-Mara于2013年从加州大学伯克利分校毕业,拥有计算机科学、认知科学和统计学三个学位。他说,之所以加入上海纽约大学的这个新项目,是因为可以从头到尾参与一所实验室的创建过程。他将自己的这一选择,比作是选择加入了一家初创公司,而非大公司。

朱小悦于2016年获得了圣安德鲁斯大学的神经科学学士学位。她表示,之所以选择上海纽约大学的博士项目,部分原因是可以有机会在一个东西方文化交汇融合的地方学习,并享受上海纽约大学以及纽约大学全球体系所提供的机会与资源。

在实验室里,Mōller-Mara、朱小悦和李刘骏骊分别设计了实验环节,用于测试啮齿动物在“行为箱”中的决策力。“行为箱”是一个约20厘米×15厘米的盒子,由丙烯酸纤维制成,其中一面设有8个孔,这样,啮齿动物就能在测试过程中探出鼻子。每组研究对应的测试内容都不尽相同,但在测试中,均会采用不同的声音频率或灯光来促使啮齿动物做出决定,并常常对它们进行奖励激励。

李刘骏骊2017年毕业于复旦大学生物学专业。目前,她正在研究啮齿动物如何计划和执行头部的转向,以及大脑尤其是前额叶对这一过程有怎样的作用。她将在今年10月的神经科学协会年会上,展示相关研究结果。

“当我们的头或眼睛转向某个方位的时候,这往往意味着我们的注意力也移到了那个方向。这种行为被称为’外显注意力转移‘,是动物每时每刻都在做的一种重要行为。大脑是如何决定并执行外显注意力转移的?”李刘骏骊表示,她对这一问题深感兴趣。

李刘骏骊说,大多数研究决策的实验室只给受试者提供两个选项,但在现实生活中,人们经常面临更复杂多样的决策问题。为了尽力还原现实生活中的决策环境,Erlich教授和研究人员设计了让啮齿动物在多个选项中做出抉择的测试。

“我们意识到,实验室测试常常是人为设计的,会与现实脱轨,”朱小悦说,“所以我们在努力让这些实验任务更贴近现实生活。”

研究人员会为猴子构建一些复杂的测试环境,但为啮齿动物设计的环境通常比较简单。 因此,Erlich教授及其团队创建了自己的实验室来进行测试,并利用基于开源设计的硬件和软件行为控制系统,为啮齿动物定制了“行为盒”。

“拥有一个完全由自己建造的盒子,真的很有成就感,”朱小悦说, “因为每一部分都是由自己搭建的,所以,你会更了解这个行为盒对研究究竟有怎样的帮助。”

在日常的实验室工作中,朱小悦、Mōller-Mara、李刘骏骊和Erlich教授既是神经科学家,也是工程师。除了实验研究之外,作为“行为盒”的建造者,他们也必须维护盒子的正常运行。所以不仅需要神经科学技能,还要利用计算机编程和工程技术,维护盒子以及啮齿动物信息记录的相关数据库。

“有时候,我会觉得自己有点像是维修人员,所以会感到小小的失落。但拥有一个稳定的心理状态对博士生和科学人员来说非常重要。所以,这项工作其实是对心理稳定性的一个很好的考验,”朱小悦说,“你必须学会拥抱失败,并把它作为学习过程的一部分。“

虽然实验室工作有一些挑战,但朱小悦表示,Erlich教授在实验过程中给大家提供了有力的指导与支持。“Jeff真的帮助很大,他什么都做,会与我们确认实验进展、未来的项目计划,教我们动手实践、确定目标等,真的提供了很多有用的指导。”

Mōller-Mara说,在这样一个独特的实验室工作,让他有机会接触建造实验室设备和设计研究这两种不同的工作。他和团队成员正在进行的这项研究,其研究成果未来可能也会应用于人类,从而将啮齿动物的数据与压力对人类经济决策影响的数据进行比较。

“我正在研究风险和压力相关的神经经济学。我也在思考关于贫困恶性循环的问题,以及压力会如何导致错误的决策,并让问题变得更糟,”Mōller-Mara说。

团队成员希望这项研究工作能够带来更深远的影响和意义,也能给政策制定者应对贫困问题带来一些新的思考和发现。

“目前,关于贫困问题的讨论常常被政治化,”Erlich教授说,“有些人认为,贫穷是因为懒惰等因素造成的。但如果我们能够证明,长期的压力会导致动物的行为向经济效率下降的方向转变,那我们就可以让政策制定者知道,任何处于贫困压力状态下的人,都可能做出错误的决定。”

“虽然压力和决策研究项目都有明确的应用前景,但我们的研究都关涉公共卫生服务,”Erlich教授说,“在神经科学领域,我们正在以惊人的速度拓展对大脑的认知,但关于基因、神经回路、环境之间如何相互作用而产生相关行为等基本问题,目前尚未找到答案。随着衰老和神经、精神疾病导致的认知障碍变得越来越常见,深入理解注意力和决策所涉及的神经生物学,对解决这些问题至关重要。”