计算模型分析显示血清素加速学习

由UCL的研究人员根据Champalimaud未知中心的数据设计的新计算模型显示，血清素是大脑中最普遍的化学物质之一，可以加速学习。

血清素被认为是介导神经细胞之间的通信，并在功能和功能失调的认知中发挥重要作用。长期以来，血清素已被公认为抗抑郁药(选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRIs)的主要靶点，用于治疗各种精神疾病，如抑郁症，强迫症和焦虑症。人类和其他动物中的血清素与认知和决策的各种方面令人眼花缭乱，包括惩罚，奖励和耐心。

今天在Nature Communications上发布的新结果提供了额外的照明。在文章中，盖茨比计算神经科学部门的Kiyohito Iigaya和Peter Dayan以及UCL的马克斯普朗克UCL计算精神病学和老龄化研究中心分析了他们的合作者，Madalena Fonseca和Masayoshi Murakami，由Zachary Mainen在Champalimaud中心领导的数据在葡萄牙的未知。

在实验中，训练小鼠选择两个目标中的一个以获得水奖励。由于奖励率在没有警告的情况下发生变化，因此小鼠不得不了解哪些目标更有价值。至关重要的是，有时通过称为光遗传学的技术，在具有基因修饰的5-羟色胺神经元的小鼠中，大脑中的5-羟色胺释放暂时增强，从而允许评估5-羟色胺对学习的影响。

Iigaya基于强化学习原理建立了鼠标行为的计算帐户，这些原理广泛应用于机器学习和人工智能。Iigaya发现学习率，即模拟小鼠学习的速度，受血清素刺激的调节。他比较了有和没有刺激5-羟色胺神经元的试验，并观察到刺激传递时学习速度明显加快，这意味着促进血清素加速了小鼠的学习。

作者还发现，当老鼠连续快速做出决定时，他们采用了一种简单的策略，称为“胜利 - 失败 - 开关”，如果它刚刚获得奖励，他们会重复选择，如果它被转换为另一种选择，没有得到回报。5-羟色胺刺激不会影响这些快速选择。然而，在试验的子集中，当动物行动缓慢并在试验之间花费很长时间时，他们的决定并没有遵循简单的胜利 - 失败 - 转换规则。相反，老鼠根据更长的奖励历史作出决定，这一点通过强化学习账户得到了很好的表征。5-羟色胺刺激仅影响这种缓慢的学习系统。

重要的是，作者发现，这个缓慢的系统跟踪每次试验的奖励结果，即使选择是由快速，赢得停留的失败开关系统做出的。因此，当动物在作出决定之前花费很长时间时，血清素刺激对促进慢系统的影响仅偶尔变得明显。作者认为，多个决策系统相互掩盖的方式可以解释为什么科学家们难以构建关于5-羟色胺如何影响学习和决策的综合理论。

作者得出结论：“我们的研究结果表明，血清素通过影响学习速度来增强[大脑]的可塑性。例如，当与所谓的认知行为疗法相结合时，使用SSRI治疗可以更有效的事实引起共鸣，这会鼓励患者改变生活习惯。“

大量临床研究表明，如果与认知行为疗法(CBT)相结合，SSRI治疗通常最有效。CBT的目标是通过为患者设计(重新)学习他们的思考和行为方式的会议，积极地改变适应不良的思维和行为。然而，科学家们对SSRI和CBT如何以及为何一起进行治疗的理解有限。新发现表明两者之间可能存在功能联系，血清素促进了CBT固有的学习，为这种神经调节剂在治疗精神疾病中的作用提供了线索。

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