Science综述: 动机的神经环路【收藏学习】
神经系统协调各种有动机的行为，如进食、饮水和逃跑，以促进生存和进化适应。尽管不同动机所需的精确行为是多样的，但接近或回避等共同特征表明，广泛的动机行为需要共同的大脑基质。
近日，美国华盛顿大学成瘾、疼痛和情绪神经生物学中心Garret D. Stuber在Science发表重要综述。文中，作者提出一个机制框架，即先天驱动的神经回路能调节腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元的活动，以加强正在进行或计划的行动，用来满足动机需求。这一框架可以解释为什么VTA多巴胺神经元的信号普遍参与许多类型的不同动机行为，以及感觉和内感受线索如何启动特定的目标导向行为。
1. 动机行为的VTA环路和细胞类型
动机回路的核心是VTA多巴胺神经元，它向伏隔核（NAc）发送密集的投射，以产生动机增益控制和反馈，从而驱动可重复动作的形成[Fig.1]。多巴胺信号驱动强化，产生激励显著性，编码与学习相关的预测错误信号，并传递因果关系。VTA多巴胺神经元的光遗传学刺激产生一种通用的动机信号，甚至可以强化任意动作。由于VTA多巴胺神经元在大脑中的数量相对较低，并且反应模式陈旧，因此它们可能会接收到来自多种竞争来源的信息。多巴胺神经元需要来自局部和远端细胞的突触输入来调节其活动。这创建了一个时间动态系统，以加强与下游基底神经节回路中的特定动机行为状态相关联的动作。
Figure 1 将进食、饮水和触摸相关的神经环路连接到大脑奖赏回路中
VTA中 GABA释放神经元在分子上是不同的，是抑制神经元活动、减少奖励消耗和产生普遍厌恶的主要调节因子。VTA的大多数初级传入都靶向GABA能和多巴胺能神经元。来自外侧缰核（LHb）的兴奋性突触输入主要作为VTA GABA能神经元的兴奋性驱动源，促进厌恶或回避。LHb神经元投射到VTA的功能是传递厌恶性刺激信息，这可以立即导致多巴胺能活动减少，并导致动物脱离正在进行的行为或促进逃跑行为。LHA和延伸杏仁核的谷氨酸能和GABA能细胞也直接投射到VTA，并主要靶向VTA GABA能神经元，以直接双向控制其活动，间接调节多巴胺释放，并双向控制动机行为状态。
LHA的谷氨酸能神经元似乎对奖赏和进食相关行为产生相反的影响。这些细胞的光遗传学刺激立即以频率依赖的方式破坏液体和食物的消耗。同时，LHA谷氨酸能神经元在分子上是异质的，也由不同的细胞类型组成。总之，LHA细胞类型是大脑中典型奖赏回路的关键输入，同时也投射到脑干运动区域，以使多巴胺的释放与进食所需的脑干运动相一致，如咀嚼[Fig. 2]。
Figure 2 LHA GABA能神经元的光遗传学刺激增强动机，但也会产生与进食相关的复杂运动模式
2. 调节动机行为的稳态信号和环路
为了将对食物或水的生理需求转化为执行进食和饮水行为所需的动机信号，直接对饥饿或口渴做出反应的神经元与经典的大脑奖励回路（如VTA、延伸杏仁核和LHA）相连。弓形核中的AgRP神经元是饥饿状态的关键变阻器。AgRP神经元在缺乏食物的情况下活性增加，而当小鼠遇到食物时，这种活性就会降低。同时，AgRP神经元的激活产生进食，并促进条件性位置厌恶，这与AgRP神经元在传递饥饿和潜在的其他厌恶状态中的作用一致。AgRP神经元活性也因胃内热量输送而降低，这表明它们是将内感受信号从肠道传递到大脑的关键节点。AgRP投射广泛靶向许多皮质下系统；然而，单个AgRP神经元倾向于投射到单个大脑区域，如延伸杏仁核和LHA。
AgRP激活也增强VTA多巴胺能活性和NAc中多巴胺的释放，但在没有食物的情况下不会增加多巴胺。因此，AgRP神经元可能将与饥饿相关的生理稳态信号间接传递给多巴胺系统，以增强或减少有动机的进食行为。
驱动饮水动机的渴觉信号通过穹窿下器官（SFO）中表达一氧化氮合酶1（Nos1）的液体渗透压传感神经元传递到VTA。总的来说，VTA多巴胺神经元位于口渴和饥饿感神经元的多突触下游，允许传入的内感觉通过下丘脑调节以满足动机行为的活性。
3. 触觉和味觉环路调节动机行为
编码危险、疼痛和味觉厌恶的神经系统也调节经典的大脑奖励系统来促进行为回避行为。表达降钙素基因相关肽（Calca）的PBN神经元群体，对疼痛以及与疾病相关的皮肤和内脏刺激的反应中表现出强烈激活。PBN神经元与LHA谷氨酸能神经元形成单突触输入，以减少进食并促进对伤害性刺激的行为回避，推测通过PBNGlutamate→LHAGlutamate→ LHbGlutamate→ VTAGABA→ VTAdopamine环路调节中脑多巴胺系统。此外，编码伤害性刺激的PBN信号也通过黑质网状部（Snpr）的前馈抑制（PBNGlutamate→ SnRGABA→ VTADopamine）发送到VTA。厌恶性感官刺激可以间接抑制VTA多巴胺并促进回避，而愉快的感官刺激，如轻微触摸，可以增加NAc多巴胺的释放，这表明需要进一步探究皮肤感官奖励系统。
4. 学习联想驱动动机行为
下丘脑和PBN等结构内的基因特异性细胞和回路接收感觉输入，并调节VTA多巴胺神经元的活动，以促进动机行为。然而，它们的简单性并不能单独解释学习和其他认知过程（如决策）如何影响大脑奖励回路。包括海马体、前额叶皮层和基底外侧杏仁核（BLA）在内的皮层结构在环境刺激和学习关联中发挥着至关重要的作用。这些区域内的皮层神经元网络促进了学习信息的输入、存储和提取。他们还通过对纹状体、延伸杏仁核、下丘脑和中脑的兴奋性投射来执行特定的本能程序。环境刺激的神经编码与有价值的动机结果重复匹配，在整个大脑中都有广泛的编码，但在眶额页皮层和前边缘皮层等区域富集。
总的来说，岛叶和其他感觉皮层通过将各种感觉特征引导到学习和预测脑区（如前额叶皮层和杏仁核）来指导动机行为，以学习特定驱动行为相关的高阶和多感觉表征。其反过来又投射到皮层下系统，以执行与接近和回避相关的动机特定的行为模式。
总结
这种将环境和内感受刺激与特定细胞类型联系起来以产生动机行为的神经回路框架提出了新的假设和问题。
首先，该模型表明，VTA多巴胺神经元或其他的直接上游脑区不会表征没有价值关联的特异性感觉特征。只有当感觉刺激的质量随着时间的推移与奖励或厌恶的结果（如热量饱腹感）相关时，高度特异性的感觉信息（例如，个体气味或味道）才能促进多巴胺系统的活动。
其次，当特定的生物需求很高时，进食或饮水等动机行为的神经回路可能会动态调节VTA多巴胺系统。这个过程可能需要持续的环路适应和可塑性，以便在需求高时优先考虑一些系统中的活动，而在需求低时取消优先考虑。循环激素、细胞因子和其他神经调节剂等信号系统也可能在调节回路特异性活动以满足持续的生理需求方面发挥重要作用。
最后，内感受信号，如结节神经节中迷走神经感觉神经元的活动，可以驱动学习和特定的动机行为，但在大脑中，内感受和外部线索之间的关联是如何以及在哪里整合的，针对不同类型的动机行为，还需要更深入的研究。
总的来说，对动机行为的大脑回路机制的理解正在向前迈进。继续研究和综合与动机行为相关的精确细胞类型和回路信息，不仅将加深我们对行为神经生物学的理解，还将为各种动机相关疾病的新干预措施铺平道路。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/science.adh8287
参考文献
Stuber, Garret D. “Neurocircuits for motivation.” Science (New York, N.Y.) vol. 382,6669 (2023): 394-398. doi:10.1126/science.adh8287
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
