多巴胺惊喜为人类运动带来可测量的速度提升
摘要： 意外奖励能在瞬间使人们运动加快，揭示了动机与运动在大脑中紧密相连。在一项基于操纵杆的伸手任务中，参与者会向提供更高奖励概率的目标加速，当低概率奖励意外出现时，他们的运动速度会获得额外的提升。
这一变化的时间与经典的多巴胺奖励预测信号相匹配，表明运动活力反映了大脑内部的价值计算。随着时间推移，连续的积极或消极结果也会改变整体运动速度，表明最近的经验不断重新校准我们行动的能量水平。这些发现指出，运动可能成为追踪帕金森病和抑郁症等疾病中多巴胺功能的潜在非侵入性标记。
关键事实
- 惊喜加速运动： 意外奖励在约220毫秒内增加了运动活力。
- 奖励概率很重要： 人们会更快地伸手向更可能提供奖励的目标。
- 第二个多巴胺信号： 只有当结果不确定且比预期更好时，才会出现额外的速度。
- 经验塑造能量： 连续的成功加速整体运动，而连续的失败则会减慢它。
- 临床潜力： 细微的运动变化可能有助于随着时间推移监测多巴胺相关疾病。
来源： 科罗拉多大学
科罗拉多大学博尔德分校的工程师们进行了一项新研究，旨在探究为什么人们在高兴时会"步履轻快"。
这项研究强调了多巴胺（一种与奖励相关的大脑化学物质）在人们想要某物时加速运动方面的核心作用。这些发现可能有一天帮助科学家理解和诊断一系列人类疾病，包括帕金森病和抑郁症。
"从经验上讲，我们只是感觉这是真的，"科罗拉多大学博尔德分校Paul M. Rady机械工程系教授、资深作者阿拉·艾哈迈德(Alaa Ahmed)说。"当你去机场接父母时，你可能会跑着去迎接他们。但如果你是去接同事，你可能只是走过去。"
在这项新研究中，她和科罗拉多大学博尔德分校前研究生科林·科尔比施(Colin Korbisch)着手解开控制这类行为的大脑通路。
研究人员设计了一个简单的实验：他们要求人类受试者使用类似操纵杆的设备在计算机屏幕上"伸手"抓取目标。这些目标会发放奖励——在这种情况下，是简单的闪光和蜂鸣声。
研究团队发现，这些奖励如何超出或未能达到预期会改变受试者的移动方式，在某些情况下，使他们在伸手时更有活力。
这些模式与科学家们对多巴胺能神经元行为的了解非常吻合——多巴胺能神经元是释放多巴胺并塑造人类行为的广泛范围的大脑细胞。
研究人员于2月27日在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表了他们的发现。
"运动是心灵的窗口，"科尔比施说。"通常，你无法进入大脑看到多巴胺能神经元在做什么，但运动可以反映那些难以解开的神经计算。"
果汁时间
几十年来，科学家们已经知道多巴胺在帮助动物学习方面起着关键作用。
例如，在20世纪90年代，神经科学家沃尔夫拉姆·舒尔茨(Wolfram Schultz)对灵长类动物的多巴胺能活动进行了开创性研究。
他和他的同事们训练猴子在听到铃声时期待奖励——可能是苹果汁。这些猴子每次听到铃声时都会经历多巴胺的激增，甚至在得到果汁之前。
但当猴子听到铃声却未收到任何果汁时，失望也在大脑中显现：动物仍然经历了多巴胺的初始激增，但当它们未能收到奖励时，这种活动会下降。
科学家称这种模式为"奖励预测误差"。从某种意义上说，大脑正在教导自己哪些选项值得追求，哪些可以忽略。
在当前的研究中，艾哈迈德和科尔比施想知道这些相同的模式是否会影响我们的移动方式。
伸手尝试
研究团队有充分理由认为它们可能会影响。艾哈迈德解释说，帕金森病患者失去了大脑中的许多多巴胺能神经元。他们也很难移动。
为了探索多巴胺与运动之间的联系，研究人员要求人类受试者使用操纵杆向屏幕四个角落之一的目标进行一系列伸手动作。一个目标每次被击中时都会给予奖励，而另一个目标则从不给予奖励。另外两个目标则处于中间状态。
正如研究团队所预期的，受试者倾向于更快地伸手向更可能提供奖励的目标。
但该团队还发现了一些有趣的事情：如果受试者伸手抓取一个不太可能给予奖励的目标，却意外地得到了奖励，他们的伸手动作会突然加速——即使在他们已经获得奖励之后。
这种活力的增加发生在受试者听到蜂鸣声后仅220毫秒。这种效果很微妙，肉眼无法察觉。但研究结果表明，令人愉快的惊喜可能会给人们带来一点额外的活力。
研究人员无法明确证明这种能量爆发背后的原因。但艾哈迈德和科尔比施怀疑，他们的受试者从意外的奖励中获得了第二波多巴胺。相比之下，当受试者确信会得到奖励时，他们在蜂鸣声后似乎不会获得第二波多巴胺。
"重要的是，这种效果不仅仅与奖励接收有关，"科尔比施说。"如果结果是确定的并为个人所知，我们没有看到活力的进一步增加。"
过去的经验也很重要。如果患者连续获得奖励，他们开始整体移动得更快。如果他们一直运气不好，他们就会放慢速度。
艾哈迈德指出，许多疾病会影响人们的移动方式。例如，抑郁症患者往往比其他人移动得更慢。她设想，有朝一日，医疗专业人员可以利用这些趋势来帮助他们的患者——通过跟踪人们在数月或数年间的移动方式来监测他们的健康状况。
"如果你度过了愉快的一天，你会走得更快。如果你度过了糟糕的一天，你会移动得更慢，"艾哈迈德说。"基本上就是那种'步履轻快'的感觉。"
关键问题解答：
问：在这项研究中，多巴胺如何影响人类运动？
答：当奖励超出预期时，参与者的运动在约220毫秒内变得更快，反映了增加运动活力的内部多巴胺相关奖励预测信号。
问：为什么意外奖励比预期奖励更能改变运动？
答：只有当结果不确定且令人愉快地超出预期时，才会出现额外的速度，表明大脑为超出预测的结果生成了额外的动机信号。
问：这些发现如何用于医学或大脑健康监测？
答：因为多巴胺紊乱通常会改变人们的移动方式，测量运动速度的细微变化可能提供一种简单、非侵入性的方式来跟踪帕金森病或抑郁症等疾病。
编辑备注：
- 本文由Neuroscience News编辑编辑。
- 完整审阅了期刊论文。
- 我们的工作人员添加了额外背景。
关于这项神经科学研究的新闻
作者： Daniel Strain
来源： 科罗拉多大学
图像： 图像由Neuroscience News提供
原始研究： 开放获取。
"快速多巴胺能信号在运动中的表现：伸手活力反映奖励预测误差和习得期望"，作者Colin C. Korbisch和Alaa A. Ahmed，《科学进展》
摘要
快速多巴胺能信号在运动中的表现：伸手活力反映奖励预测误差和习得期望
当预期奖励时，运动变得更加有力，这表明动机信号影响运动控制。已知编码奖励预期和预测误差的多巴胺能神经元是连接价值和活力的主要候选者。
在这里，我们展示了人类伸手活力不仅在运动开始时，而且在持续运动中，都动态跟踪经典的多巴胺能学习信号。使用具有概率奖励（0%、33%、66%和100%）的伸手任务，我们观察到峰值速度与预期价值成比例。
关键的是，在反馈之后，伸手速度会根据奖励预测误差的符号和大小暂时增强或减弱。运动学的逐次变化反映了价值更新，与多巴胺能相位学习信号一致。
这些结果表明，运动活力在快速时间尺度上受到奖励学习信号的调节，揭示了动机计算在行为上的实时读出。
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