果蝇揭示了基于奖励的大脑决策的秘密

　　和许多L.P.唱片收藏家一样，詹姆斯·菲茨杰拉德(James Fitzgerald)的姐夫也有一家最喜欢的商店，他总是在那里为自己的收藏找到最好的黑胶唱片。但有时他在店里花了几个小时却一无所获。他也知道，偶尔他应该冒险去镇上另一边的唱片店，在那里他有时会买到一颗很难找到的宝石，自从他上次去那里后，那里就有存货了。

　　菲茨杰拉德的姐夫正在计算:权衡可能的结果来指导他的行为。他最喜欢的唱片店奖励他更频繁，所以他去那家店的次数最多。二级商店不太可能奖励他，所以他只是偶尔去那家商店。

　　格伦·特纳(Glenn Turner)和菲茨杰拉德一样是HHMI Janelia研究校区的神经科学家和小组组长。他说，这种“记录觅食”的习惯是一种被称为匹配的行为的完美例子，这种行为在动物王国中普遍存在。而不是乙烯基，像老鼠和苍蝇这样不时髦的动物寻找食物，利用气味等感官线索从远处评估食物质量。

　　但是，尽管从鸽子到老鼠再到人类，人们在所有动物身上都观察到了匹配，但人们还不清楚大脑是如何进行这种基于价值的决策的。研究人员之前提出了一种理论来解释这种情况是如何发生的，但这个想法还没有在现实世界中得到验证。

　　现在，一个由Janelia研究人员组成的团队，包括Fitzgerald, Turner, Janelia研究生学者Adithya Rajagopalan，前Janelia研究员Ran Darshan和研究专家Karen Hibbard，已经证实了提出的理论是有效的。拉贾戈帕兰的实验表明，和菲茨杰拉德的姐夫一样，果蝇可以根据它们对奖励可能性的预期做出决定。该团队还确定了苍蝇大脑中进行这些值调整的位置，使他们能够直接在神经回路水平上测试这一理论。

　　特纳说:“我们发现苍蝇正在利用期望来为它们的世界赋予价值。”“它也很好地联系到了这个理论工作，这个理论工作非常优雅，解释了这个普遍的现象。”

　　揭示苍蝇的大脑是如何实现这种无处不在的行为的，可以帮助科学家更好地理解包括人类在内的大型动物的大脑是如何做出类似决策的。研究人员表示，在成瘾等疾病中，决策会出错，因此了解这一过程如何在更简单的大脑中运作具有广泛的价值。

　　“我们在这篇论文中确定的各种想法和理论框架感觉就像进化的种子，在更大的生物体中，更多的层被添加，以允许更复杂的行为，”Rajagopalan说，他是一篇描述这项工作的新论文的第一作者。

　　调查匹配行为

　　果蝇的大脑已经被很好地研究和绘制，是研究匹配及其潜在机制的一个有吸引力的选择。但首先，研究小组必须设计一种方法来观察果蝇的决定。

　　拉贾戈帕兰是通过与约翰霍普金斯大学的联合研究生项目来到特纳实验室的，他是这个项目的带头人。他设计了一个实验，让一只苍蝇进入对称的y形舞台的一只手臂。气味被输送到y的另外两只手臂，苍蝇选择跟随一种气味或另一种气味并获得奖励——在这种情况下，它的糖感应神经元被激活——但概率不同:一种气味可能在80%的情况下转化为奖励，而另一种气味可能在20%的情况下产生奖励。

　　研究人员发现，果蝇学会了期待与它们呈现的相同比例的奖励，然后根据这些期望做出选择。这些行为给这种匹配行为起了一个名字:80%的情况下，苍蝇选择了能提供80%奖励的气味。在20%的情况下，它会选择产生20%奖励的气味。

　　研究小组将这种行为追踪到蘑菇体内的特定突触，这是苍蝇大脑中负责学习和记忆的区域。这使他们能够基于匹配理论创建一个大脑如何执行这种行为的模型。在这个理论中，与不同选择相关的价值是通过突触强度的变化来学习的:突触连接的增强或减弱与预期和收到的奖励之间的差异成正比。该团队基于这一理论和果蝇的行为建立的模型使他们能够展示个体突触如何改变以实现基于价值的决策。

　　这项新研究强调了实验和理论之间重要的相互作用，集中描述了控制动物学习的规则——研究人员说，这一结果在概念和机制层面上都是令人满意的。

　　菲茨杰拉德说:“通过对突触如何变化的简单机械解释，你可以得出这些复杂的经济决策，这很好地说明了机械认知神经科学的意义。”“我们正在利用这种普遍特性，利用这些小动物的优势，真正从机械上解决这个问题。”