揭示动物奖励处理过程中口面部运动的机制

最近的一项合作研究的结果可以深入了解与动物奖励处理相关的自发口面部运动的神经元机制

研究人员在小鼠模型研究中研究了大脑控制非自愿口腔和面部运动的机制

在动物中，运动或梳理毛发等运动已知会影响大脑皮层内的神经元活动。此外，最近的研究还表明，神经元活动的这些变化并不局限于特定区域，而是普遍存在于大脑的皮质和皮质下区域。有趣的是，在接受基于奖励的学习任务训练的动物中，这种自发运动——尽管是无指导且不必要的——可能与任务事件相关，并且可能对任务期间的神经元活动有显着贡献。

特别是，众所周知，口面部部分(例如鼻子和胡须)的运动与小鼠全脑神经元活动密切相关。例如，接受刺激-奖励关联训练的小鼠会根据奖励预测提示移动胡须并表现出口面部运动。然而，大脑产生和协调这些“无指令”运动的潜在机制仍然很大程度上未知。

然而现在，由山下隆之教授和合著者生理学系的李万儒领导的藤田保健大学研究小组揭示了小鼠这些口面部运动背后的有趣见解。这项研究是藤田保健大学国际脑科学中心 (ICBS) 成员的合作成果，包括 Takayuki Yamashita 教授、Takashi Nakano 副教授和 Junichiro Yoshimoto 教授。该研究于 2023 年 8 月 2 日发表在《当代生物学》杂志上，揭示了这些高度特征性的口面部运动所涉及的神经科学。

为了研究潜在的机制，研究人员首先分析了小鼠的胡须运动数据。虽然经过良好的舔水奖励训练的小鼠在奖励预测提示呈现后立即表现出快速的胡须运动，但未经训练的新手小鼠却没有表现出这种运动。在检查这些与任务相关的胡须运动是否特定于涉及胡须感觉的任务时，研究人员还观察到类似的胡须运动，即使在涉及声音奖励关联的任务中也是如此。

尽管上述任务涉及水奖励，但团队进一步进行了实验，在不给予液体奖励的情况下诱导无指导的口面部运动。更具体地说，研究小组刺激了腹侧被盖区(VTA)的多巴胺(DA)神经元，该区域位于小鼠中脑，在动机和奖励系统中发挥着重要作用。研究小组随后发现刺激 VTA DA 神经元会引发口面部运动。

谈到研究结果，山下教授说：“ VTA 中的多巴胺神经元是对大脑奖赏处理感兴趣的神经科学家中非常受欢迎的细胞，并且已经发表了很多关于其作用的论文。但我们的研究首次报告它们的活动可以引发口面部运动。”

此外，涉及机器学习的广泛实验揭示了在基于奖励的学习任务中观察到的两种不同的口面部运动——奖励期望时的短暂口面部运动和收到奖励时的主动、持续的口面部运动。该研究还帮助阐明了胡须初级运动皮层(wM1)——小鼠大脑中在调节胡须运动中起关键作用的区域——在触发这些运动中的因果作用。

“这两种类型的口面部运动涉及两种不同的神经元信号流。其中之一是中脑边缘 DA 通路，它因构成我们的动机行为而闻名。这对于获得奖励时的口面部运动至关重要。另一种是一种绕过信号通路，将奖赏预测提示信息快速传送到大脑中的运动命令神经元。这种快速信号传导独立于中脑边缘 DA，但需要根据奖励期望诱导快速、短暂的口面部动作，” Yamashita 教授解释道。

“我们的研究结果表明，这两个不同的信号在 wM1 中汇聚，但优雅地驱动两个不同的运动，”合著者 Wan-Ru Li 补充道。

研究人员表示，这可能是对这种现象的首次记录观察，并且可能具有重要的临床意义。例如，了解面部运动如何与内部状态相关可以改进针对通常涉及非典型情绪反应和面部表情的心理健康状况的诊断和治疗策略。

此外，这种关于小鼠不同口面部运动的新知识可能会促进对动物情绪的理解，并有助于为实验动物、宠物以及动物园或农场等不同环境中的动物创造更加富有同情心和合适的环境，最终提高动物福利。

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