Neuron|“民以食為天”:吃多少 vs. 如何吃——以“極致的顆粒度”刻畫(huà)食欲
動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)行為的內(nèi)在力量。無(wú)論是關(guān)乎命運(yùn)的重大時(shí)刻還是決定晚飯吃啥的微小瞬間,動(dòng)機(jī)都支配著我們的行為。這一系列大大小小的動(dòng)機(jī)體現(xiàn)了我們的人格與個(gè)性,決定了我們是誰(shuí),從哪里來(lái),到哪里去。
自20世紀(jì)初以來(lái),學(xué)界已形成一系列關(guān)于動(dòng)機(jī)的經(jīng)典理論:本能論(instinct theory)認(rèn)為行為由先天本能驅(qū)動(dòng);驅(qū)力降低理論(drive reduction theory)指出,動(dòng)機(jī)源于生理需求,驅(qū)動(dòng)特定行為滿足該需求;誘因理論(incentive theory)則強(qiáng)調(diào),外部刺激同樣會(huì)塑造行為。這些理論對(duì)動(dòng)機(jī)的定義始終停留在宏觀層面,難以解釋行為的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性。
2月4日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院、深圳理工大學(xué)劉清晴/王立平團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域著名期刊Neuron發(fā)表重磅綜述,提出“顆?;瘎?dòng)機(jī)調(diào)控實(shí)時(shí)行為選擇”的理論框架,為動(dòng)機(jī)的精細(xì)解讀提供了全新視角。
突破傳統(tǒng):動(dòng)機(jī)是一系列的“粒子級(jí)”狀態(tài)
大腦是動(dòng)機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ),行為是動(dòng)機(jī)的外在表現(xiàn)。近年來(lái),人工智能技術(shù)的跨越式發(fā)展使研究者能夠以亞秒級(jí)精度解讀復(fù)雜多變的行為;神經(jīng)活動(dòng)在體實(shí)時(shí)記錄、光遺傳調(diào)控等技術(shù)的成熟,使動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)量化成為可能。
劉清晴/王立平團(tuán)隊(duì)以攝食這一最基本的本能行為為切入點(diǎn),帶來(lái)了顛覆性發(fā)現(xiàn):食欲并非模糊的“想吃”沖動(dòng),而是由一系列明確的“子狀態(tài)”構(gòu)成。每個(gè)子狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著特定的目標(biāo)、獨(dú)特的行為模式,受特異性的神經(jīng)環(huán)路調(diào)控——這便是 “顆粒化動(dòng)機(jī)狀態(tài)”。這些精微的“動(dòng)機(jī)粒子”共同決定了個(gè)體每一時(shí)刻的行為。
攝食全過(guò)程:一場(chǎng)“動(dòng)機(jī)粒子”的動(dòng)態(tài)博弈
動(dòng)機(jī)源于需求。面對(duì)復(fù)雜的自然環(huán)境,動(dòng)物往往同時(shí)有多種需求,每種都關(guān)乎生存,例如覓食果腹與防御天敵。團(tuán)隊(duì)前期的研究(Neuron,2023)發(fā)現(xiàn),在吃飽之前,攝食動(dòng)機(jī)與安全動(dòng)機(jī)始終在相互競(jìng)爭(zhēng),交替主導(dǎo)行為。因此攝食不是持續(xù)的“干飯”,而是一系列“準(zhǔn)備、發(fā)起、維持、中斷”的不斷循環(huán)。
準(zhǔn)備階段,下丘腦AgRP神經(jīng)元持續(xù)激活,削弱非攝食相關(guān)的動(dòng)機(jī)狀態(tài),使攝食動(dòng)機(jī)“蓄力突圍”。當(dāng)攝食動(dòng)機(jī)勝出,動(dòng)物便會(huì)發(fā)起攝食:靠近食物、探索食物、開(kāi)始啃咬,進(jìn)而維持?jǐn)z食——其中每個(gè)環(huán)節(jié)都由相應(yīng)的“動(dòng)機(jī)粒子”支配。突然出現(xiàn)的危險(xiǎn)會(huì)觸發(fā)防御動(dòng)機(jī)而中斷攝食;即便沒(méi)有明顯誘因,動(dòng)物也可能暫停攝食而發(fā)起其他行為——這正是不同“動(dòng)機(jī)粒子”動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的體現(xiàn)。
外界環(huán)境與動(dòng)物內(nèi)在狀態(tài)共同對(duì)“動(dòng)機(jī)粒子”進(jìn)行調(diào)控。環(huán)境壓力會(huì)直接終止攝食并擾亂下一輪的攝食準(zhǔn)備;壓力事件過(guò)后,動(dòng)物則更容易發(fā)起享樂(lè)性攝食行為。肥胖狀態(tài)也會(huì)擾亂攝食的“動(dòng)機(jī)粒子”,并導(dǎo)致“越胖越想吃”的惡性循環(huán)。
因此,攝食不僅僅是“吃了多少”,更是一場(chǎng)“動(dòng)機(jī)粒子”的實(shí)時(shí)博弈,使動(dòng)物既能覓食果腹,又能同時(shí)防御天敵,從而得以生存繁衍。
不止于攝食:一套通用的行為解讀框架
“顆?;瘎?dòng)機(jī)”理論框架不僅能解釋攝食行為,還可延伸到防御、社交、哺育等多種本能行為。這些本能使動(dòng)物天生便能夠快速評(píng)估各種線索,平衡多種需求,靈活應(yīng)對(duì)各種情況,并不斷積累經(jīng)驗(yàn),從而在生存這一終極需求的驅(qū)動(dòng)的下,獲取資源以適應(yīng)自然,涌現(xiàn)新的能力以改造自然——這是生物智能的核心基礎(chǔ)。利用該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“腦-行為-生理的量化、同步與操縱技術(shù)體系”(BBQSM)可以量化亞秒級(jí)時(shí)間精度、精細(xì)化空間尺度的行為切換特征、解讀“動(dòng)機(jī)粒子”的動(dòng)態(tài)交互。這是模擬生物智能的核心步驟,也將為具身智能的研究開(kāi)啟新的高度。
當(dāng)行為發(fā)生異常時(shí),“顆粒化動(dòng)機(jī)”理論框架與BBQSM技術(shù)體系相結(jié)合,有助于快速找到有問(wèn)題的環(huán)節(jié),進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)特定“動(dòng)機(jī)顆?!钡纳窠?jīng)環(huán)路而進(jìn)行干預(yù)。這為攝食障礙等疾病的研究提供了新思路。
當(dāng)前的研究還無(wú)法定義什么是動(dòng)機(jī)的“原子”。然而,“顆?;瘎?dòng)機(jī)”理論框架帶來(lái)了關(guān)鍵突破:將動(dòng)機(jī)研究從宏觀描述推向了微觀實(shí)證,提供了從行為與神經(jīng)兩個(gè)層面、以亞秒級(jí)時(shí)間分辨率讀取并調(diào)控動(dòng)機(jī)狀態(tài)的研究思路。這使我們向最終揭示動(dòng)機(jī)的奧秘又邁進(jìn)了一步。
新加坡科技研究局(A*STAR)傅玉研究員、北京腦科學(xué)與類腦研究所所長(zhǎng)羅敏敏研究員對(duì)該工作做出了精彩評(píng)論:
傅玉,A*STAR
王立平老師團(tuán)隊(duì)這篇發(fā)表在Neuron上的綜述論文代表了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)?fù)雜行為理解的一次重大范式躍遷 。在傳統(tǒng)的行為研究中,進(jìn)食往往被簡(jiǎn)化為一個(gè)由饑餓驅(qū)動(dòng)、由飽腹終止的單一生物學(xué)過(guò)程,而本研究通過(guò)引入“顆?;瘎?dòng)機(jī)狀態(tài)”(Granular Motivational States)這一核心概念,創(chuàng)新性地突破了這種二元論的局限 。作者指出,動(dòng)物在不斷變化的環(huán)境中往往面臨多種需求共存的復(fù)雜局面,通過(guò)將進(jìn)食過(guò)程精細(xì)化分解為尋找食物、接近目標(biāo)、深入調(diào)查、持續(xù)攝食以及不同形式的終止階段,該框架能夠更準(zhǔn)確地描述大腦如何根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)弱演化,在沖突的需求之間做出最優(yōu)的行為決策。
該論文展現(xiàn)了極強(qiáng)的跨學(xué)科整合能力,尤其是 BBQSM(腦-行為-生理的量化、同步與操縱)技術(shù)體系的提出,為這一理論框架提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基石 。在人工智能輔助下的高精度行為識(shí)別,該團(tuán)隊(duì)的前期工作能夠以亞秒級(jí)的時(shí)間分辨率捕捉動(dòng)物在攝食過(guò)程中的微妙狀態(tài)切換。這種從傳統(tǒng)宏觀攝入量測(cè)量向微觀行為流分析的轉(zhuǎn)變,極大地提升了我們對(duì)神經(jīng)環(huán)路功能解析的深度 。這種研究方法的創(chuàng)新,不僅有助于揭示單一神經(jīng)元群在不同行為階段截然不同的編碼邏輯,也為理解復(fù)雜神經(jīng)動(dòng)力學(xué)中的“吸引子切換”提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
該論文的發(fā)布在當(dāng)前代謝健康與神經(jīng)精神疾病研究日益迫切的背景下,具有顯著的時(shí)效性 。通過(guò)探討環(huán)境壓力、炎癥狀態(tài)以及肥胖如何重塑這些顆?;瘎?dòng)機(jī)的交互,論文揭示了病理性進(jìn)食行為背后的深層機(jī)制 。例如,長(zhǎng)期的高熱量飲食可能通過(guò)改變特定腦區(qū)的轉(zhuǎn)錄譜和神經(jīng)興奮性,削弱了原本作為進(jìn)食“剎車”的顆粒動(dòng)機(jī),從而導(dǎo)致非生理性的過(guò)度進(jìn)食。這種對(duì)動(dòng)機(jī)失調(diào)的精細(xì)化理解,直接對(duì)接了未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)療的需求,為飲食障礙和肥胖癥的干預(yù)提供了更具針對(duì)性的潛在靶點(diǎn)。
此外,論文所提出的理論框架在人工智能和具身智能領(lǐng)域也蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用潛力。通過(guò)模擬生物體在多重需求沖突下如何通過(guò)動(dòng)機(jī)顆粒的動(dòng)態(tài)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的行為切換,我們可以為開(kāi)發(fā)更具適應(yīng)性和自主性的機(jī)器人系統(tǒng)提供啟發(fā) 。這種基于自然智能的算法模型,超越了簡(jiǎn)單的任務(wù)導(dǎo)向邏輯,賦予了系統(tǒng)在復(fù)雜、多變環(huán)境下生存與進(jìn)化的能力。
最后,該綜述不僅是對(duì)現(xiàn)有研究的歸納,更是對(duì)未來(lái)神經(jīng)科學(xué)研究方向的指引。它鼓勵(lì)研究者跳出有限的人工實(shí)驗(yàn)范式,進(jìn)入更具生態(tài)學(xué)意義的自然主義場(chǎng)景,去探索行為背后那些重疊、流轉(zhuǎn)且充滿活力的動(dòng)機(jī)顆粒 。這種對(duì)生命活動(dòng)本質(zhì)復(fù)雜性的探索,正是這篇論文最具啟發(fā)性的意義所在。
超越“熱量吸塵器”:食欲的顆粒度
羅敏敏,北京腦科學(xué)與類腦研究所
神經(jīng)科學(xué)家喜歡把實(shí)驗(yàn)室里的小鼠當(dāng)作“毛茸茸的熱量吸塵器”。它們仿佛內(nèi)部裝了個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān),要么在“開(kāi)”的狀態(tài)下狂吃,要么在“關(guān)”的狀態(tài)下停食。不過(guò),如果你曾站在敞開(kāi)的冰箱前,餓得發(fā)顫卻陷入決策癱瘓,最終放棄做一頓精致晚餐、轉(zhuǎn)而抓起一塊去年中秋節(jié)剩下來(lái)的月餅,那么恭喜,你已經(jīng)憑直覺(jué)超越絕大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家,領(lǐng)悟到現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)一個(gè)核心矛盾:進(jìn)食從來(lái)不是單一行為。
劉清晴和王立平最近在Neuron發(fā)表的這篇綜述,用優(yōu)雅的“顆?;瘎?dòng)機(jī)狀態(tài)”理論框架,把我們從這種二元簡(jiǎn)化主義中拽了出來(lái)。我有機(jī)會(huì)近距離審視這一理論框架的演變過(guò)程,因此很高興看到它以如此完整的形式在此呈現(xiàn)。作者令人信服地指出,進(jìn)食并非單一的驅(qū)動(dòng)力,而更像一場(chǎng)精細(xì)的神經(jīng)接力賽,包含準(zhǔn)備、啟動(dòng)、維持、中斷與終止等多個(gè)微觀階段。
這篇綜述的精彩之處在于它對(duì)這些行為階段基于現(xiàn)有的大量文獻(xiàn)進(jìn)行了詳實(shí)的神經(jīng)映射。我們了解到,雖然下丘腦弓狀核 AgRP 神經(jīng)元可能會(huì)尖叫著“我餓了”(編碼負(fù)面效價(jià)),它們必須將接力棒交給外側(cè)下丘腦GABA能神經(jīng)元來(lái)真正觸發(fā)“靠近和探索”這一系列動(dòng)作,隨后再由中縫背核GABA能神經(jīng)元和中央杏仁核五羥色胺受體2A神經(jīng)元等來(lái)評(píng)價(jià)食物獎(jiǎng)賞與應(yīng)激的平衡從而維持這一行為。這種環(huán)路水平的行為分離可以解釋一些非常有趣的行為,比如為什么動(dòng)物可能會(huì)瘋狂覓食卻拒絕進(jìn)食。
此外,我特別欣賞作者大力推介的“BBQSM”方法(即腦-行為-生理的量化、同步與調(diào)控),利用人工智能來(lái)捕捉進(jìn)食的不同階段及與躲避捕食者本能之間毫秒級(jí)的較量。如果我們唯一的衡量標(biāo)準(zhǔn)只是食槽重量的變化,這些關(guān)鍵的行為差別和底層神經(jīng)環(huán)路就會(huì)被遺漏。
總之,這篇綜述大聲提醒我們,如果想要真正理解肥胖或進(jìn)食障礙,就必須停止將“進(jìn)食”看作一個(gè)整體,而開(kāi)始關(guān)注每一口的細(xì)節(jié)。通過(guò)定義動(dòng)機(jī)的“原子”單位,劉和王為該領(lǐng)域提供了一張新的“行為元素周期表”。更進(jìn)一步,它也為我們研究其它本能行為的神經(jīng)基礎(chǔ)設(shè)定了新的研究標(biāo)準(zhǔn)。
本文信息密度高,思維啟發(fā)性強(qiáng),讀的時(shí)候也許配點(diǎn)零食享用風(fēng)味更佳。當(dāng)然,現(xiàn)在你會(huì)清楚自己吃零食時(shí)大腦正在跑哪段神經(jīng)程序。這正是理論進(jìn)步帶來(lái)的甜蜜副作用:連吃月餅都能吃出顆粒化的科學(xué)風(fēng)味。

圖1?顆?;瘎?dòng)機(jī)狀態(tài)的神經(jīng)機(jī)制
原文鏈接:https://authors.elsevier.com/c/1mYi3_KOmxKV-r

圖2?顆粒化動(dòng)機(jī)狀態(tài)調(diào)控實(shí)時(shí)行為選擇
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