合作能力與演化的關系以及合作産生的神經機制

文章來源:腦科學與智能技術卓越創新中心  |  發布時間:2021-11-17  |  【打印】 【關閉

  

  202111月16號,《Cell Reports》期刊在線發表題爲《哺乳動物合作行爲的演化及其神經表征》的研究论文,该研究由中國科學院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室王佐仁研究组完成。该研究建立了一个定量评估合作行为(cooperative behavior)的實驗範式,發現了不同哺乳動物物種的合作能力與它們在進化上的層級一致,並且找到了與合作相關的神經表征。 

  合作行爲在自然界中非常普遍,它對動物的生存和人類社會的發展至關重要。一些科學家認爲合作是與突變和自然選擇同等重要的推動進化的支柱。突變和自然選擇可以解釋同一個組織層次事物的變化,而合作在更廣泛的空間發揮作用,才使30億年前的微生物世界變成現在這樣多樣而複雜的社會。因此研究合作的演化及其背後的生物學機制對于理解現代社會的形成具有重要的意義。然而合作行爲是如何發生的仍然不是很清楚。 

  哺乳動物的合作是多個動物個體一起行動來實現共同利益的行爲,而且這個過程需要高級認知的參與。之前的研究主要是基于神經經濟學理論,以靈長類爲實驗對象,利用功能磁共振成像或者腦電來研究與合作相關的大腦活動,發現了一些與合作行爲相關的腦區,這些腦區也被認爲與社會行爲和獎勵相關,包括眶額葉皮層(orbitofrontal cortex,OFC)以及其他前額葉皮層(prefrontal cortex)子區等。但是對非靈長類哺乳動物的合作行爲的定量研究,並且通過在細胞層面的神經電生理研究神經機制的工作極少。 

  爲了回答上述問題,王佐仁研究團隊首先建立了一個能夠自動檢測和評估合作行爲的範式,並且這個範式具有普適性。在這個範式中,兩只動物需要在設定的時間窗口(3s,2s1s或者0.5s)內,都去觸發鼻觸,才能獲得獎勵。結果發現,經過一段時間的訓練,不管是兩只大鼠的合作,還是三只大鼠的合作,都能成功。研究人員發現,在這個過程中,動物之間的社會交流非常重要,尤其是在合作建立初期。 

  在建立了這樣的範式之後,該研究團隊關心的第一個問題是合作能力與演化的關系。他們充分利用已有的模式動物資源,包括小鼠、大鼠和樹鼩,比較它們在合作任務中的表現。結果發現,在最難的測試條件下(時間窗爲0.5 s),树鼩的合作成功率最高,但是碰鼻触的次数却比大鼠要少,显示了树鼩采取了更有效率的方法来实现合作。在三种模式动物中,小鼠的表现最差,在三个阶段的合作成功率都是最低的。这些结果提示,这三个物种的合作能力与他们在进化树上的层级系相一致。随着进化上越来越靠近人类,合作能力越来越强。 

  接著研究人員研究了合作背後的神經機制。通過在體電生理記錄技術,采集大鼠OFC和前邊緣皮層(prelimbic cortexPRL)的神經元活動。分析發現這兩個腦區的神經元可以編碼合作的不同方面,比如,大鼠在合作任務中所扮演的角色(起始者 vs. 跟隨者)以及合作是否成功(成功 vs. 失敗)。 

  更重要的是,研究團隊比較了兩個腦區神經元在合作任務與非合作任務之間的反應差異和在獎勵高的任務與獎勵低的任務之間的反應差異,發現OFC和PRL的神經元對于合作與獎勵的表征不同:前者更傾向于編碼與合作相關的信號,而後者更傾向于編碼與獎勵相關的信號。  

  該研究建立了一個定量評估合作行爲的範式,發現了社會交流對于合作行爲有重要貢獻。此外,研究發現小鼠、大鼠和樹鼩的合作能力與它們在進化樹上的層級一致。這爲哺乳合作能力與進化的關系提供了新的證據。研究人員還發現OFC和PRL的神經元可以編碼大鼠在合作過程中扮演的角色以及合作的成功與否。更重要的是,他們發現與合作相關的信號和與獎勵相關的信號在大腦中的神經表征不同。在社會環境中,區分不同角色的能力可能是共情等社會行爲産生的基礎,對于建立有效的合作以及發展群體智能很必要。此外,一些精神障礙類患者缺乏與他人合作的能力,定量檢測合作行爲的範式以及一些相關的神經表征也許能夠幫助這些疾病的診斷和治療。 

  該研究在王佐仁研究員和楊天明研究員的指導下,主要由博士研究生蔣夢萍、王淼垚鑫(共同第一作者)和石倩倩(共同第一作者)完成,研究組高級實驗師魏磊、博士研究生林永欽、博士研究生劉博弈也對課題做出了貢獻,該研究得到昆明動物所徐林研究員和工作人員聶修鵬,以及中科院自動化所喬紅研究員的支持。該項研究還得到了中科院腦智卓越中心其它研究組和平台多位老師和同學的幫助。本工作得到中科院、基金委、科技部和上海市政府的資助。 

 

  图注:哺乳動物合作行爲的演化及其神經表征。(左上)做合作任务时,大鼠会进行交流。(右上)小鼠、大鼠和树鼩在合作任务中的表现。(右下)OFC和PRL的神經元活動對合作信號和獎勵信號的表征。