PNAS：万万没想到！心跳加速可能会改变大脑的决策回路

为了了解身体内部状态如何影响大脑的决策过程，科学家们分析了之前一项临床前研究的数据。他们发现，大脑的两个决策中心包含的神经元可能专门监控身体的内部动态。此外，通过将一些决策神经元转变为内部状态监测器，觉醒状态的提高似乎重新连接了其中一个中枢。

　　

   

   

西奈山伊坎医学院的科学家展示了身体监控神经元如何在兴奋状态下劫持大脑的决策过程。上图是大脑决策中心的神经活动的芬图。“方向”和“价值”圈代表决策细胞，“心率”代表身体监测神经元。

焦虑、成瘾和其他精神疾病的特征通常是科学家们称之为“觉醒”的紧张状态:心跳加速、血压升高、呼吸缩短，做出“糟糕的”决定。为了了解这些状态如何影响大脑的决策过程，西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)的科学家们分析了此前一项针对非人类灵长类动物的研究的数据。他们发现，大脑的两个决策中心包含的神经元可能专门监控身体的内部动态。此外，通过将一些决策神经元转变为内部状态监测器，觉醒状态的提高似乎重新连接了其中一个中枢。

“我们的研究结果表明，大脑的决策回路可能连接在一起，以持续监测和整合体内发生的事情。正因为如此,我们的觉醒水平的变化可以改变这些电路工作的方式,”Peter Rudebeck博士表示，”我们希望这些结果将有助于研究人员更好地理解构成几种精神疾病的大脑区域和基本细胞过程。”

这项研究是由医学博士Atsushi Fujimoto领导的，他是Rudebeck博士实验室的 导师，之前曾研究过大脑如何控制冒险行为。

多年来，科学家们将觉醒和决策能力之间的关系描述为“u型曲线”。基本上，一点点的兴奋——比如一杯咖啡之后的兴奋——可能会产生最佳表现。但过多或过少的兴奋会增加大脑做出缓慢或错误决定的机会。

这项研究的初步结果支持了这一观点。研究人员分析了之前一组实验的数据，这些实验测试了三只恒河猴在接受两种奖励之间做出选择的能力:大量美味的果汁还是少量的果汁。Rudebeck博士在美国国家心理健康研究所(National Institute of Mental Health)担任博士后研究员时进行了这些实验。正如预期的那样，猴子们总是选择喝更多的果汁，而且平均来说，当它们的心跳加快时，它们会更快地做出这个决定，这支持了唤醒状态会促进更好的表现的观点。

接下来，研究人员分析了大脑两个决策中心的神经元记录的电活动，这两个中心分别是眶额皮层和背前扣带皮层。

他们发现，这两个区域中约有六分之一的神经元的活动与心率波动有关。换句话说，如果动物的心率改变了，那么这些细胞的活动也会随着加速或减速而改变。这种活动似乎不受猴子获得不同奖励的决定的影响。同时，每个区域中剩余细胞的活动似乎主要参与决策过程。

大脑扫描研究表明，身体的觉醒会改变这些决策中心的活动。我们的研究结果在细胞水平上支持了这一观点，并表明一些神经元的唯一工作是跟踪身体的内部状态，”藤本说。“我们的下一个问题是:‘焦虑、成瘾和其他精神障碍患者的觉醒程度提高时，会发生什么?’”

为了回答这个问题，研究人员分析了每只动物的杏仁核(大脑的情感中心)被手术关闭后获得的数据。这会使心率每分钟提高15次。在这种高觉醒状态下，动物的心跳越快，它们选择奖励的速度就越慢。这表明，当动物的觉醒状态提高时，它实际上阻碍了决策过程。

当研究小组观察神经活动时，他们发现了更有趣的事情。这种高度兴奋状态似乎改变了神经元在决策过程中所扮演的角色。在这两个大脑中心，研究人员看到了参与决策过程的神经元数量减少的证据。此外，在背前扣带皮层中，追踪内部状态的神经元数量略有增加。这改变了该区域所代表的信息平衡，就好像决策的神经信号被唤醒“劫持”了。

Rudebeck博士说，“虽然还不能确定，但我们的研究结果表明，高度兴奋状态会降低，并控制大脑中的决策回路。”“我们计划继续研究觉醒如何影响高级大脑功能，以及这是如何导致精神障碍的。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院(mh10822)、美国国立卫生研究院大脑计划(mhh117040)、美国国立卫生研究院国家心理健康研究所内部研究计划(MH002886)、武田科学基金会以及大脑和行为研究基金会青年研究员基金(#28979)的支持。

原文检索：

Fujimoto, A. et al., Interaction between decision-making and interoceptive representations of bodily arousal in frontal cortex, August 31, 2021, DOI: 10.1073/pnas.2014781118