神經科學家已經提供了清晰的視覺證據,證明人類大腦中一個被稱爲腹側紋狀體的區域在做決定的時候會權衡體力勞動的利弊。《自然-人類行爲》發表了埃默裏大學科學家的研究。它首次詳細描述了基於努力做出決策的三個階段的腹側紋狀體活動——對開始努力的預期、努力的實際執行以及努力的回報或結果。

紋狀體的位置示意圖

我們的工作對與動機降低相關的疾病的治療有廣泛的意義,如抑鬱症、精神分裂症和創傷後應激障礙。它還可能有助於加強教育、體育和公共衛生等方面的激勵項目。”

——Shosuke Suzuki,研究第一作者,埃默裏健康科學心理學研究生

“付出努力的意願對我們的生存至關重要,也是我們每天都在使用的東西,”Michael Treadway補充道,他是這項研究的資深作者,也是埃默裏大學心理學系、精神病學和行爲科學系的傑出研究教授。“我們已經確定了腹側紋狀體中兩個緊密重疊但又截然不同的區域,它們與基於努力的決策過程的不同階段有關。” “我們提供了一種具體的神經成像工具來測量與這些階段相關的信號的敏感度,其他人可以應用到他們自己的數據上。”

Treadway說,“與對照組相比,新方法可以提供一扇窗口,讓人們瞭解藥物是如何影響缺乏動機的患者的大腦的。”

Treadway的實驗室專注於理解與情緒障礙、焦慮和決策有關的精神症狀的分子和電路層面的機制。

腹側紋狀體位於大腦半球深處,是一個與運動和調節獎勵體驗和動機相關的區域。

神經成像一直表明,腹側紋狀體在決策過程中激活,以編碼與成本相關的獎勵的潛在價值,比如等待時間和概率。腹側紋狀體幫助你決定是爲“第二天”的快遞付更多錢,還是選擇“免費,一週”的快遞來收到包裹。然而,神經成像研究之前未能在腹側紋狀體中檢測到需要體力努力才能做出決定的強值信號——如果你還想喝咖啡,但咖啡壺已經空了,還值得起牀再衝一杯嗎?

Suzuki說:

“爲什麼這個大腦區域對獎勵與時間和概率的價值進行編碼,但對體力勞動卻沒有這樣做,這是一個謎。”“這在神經影像學文獻中是一個悖論。”

先前對齧齒類動物的研究表明,腹側紋狀體對於激勵動物爲食物等獎勵而工作至關重要。動物研究也證明了腹側紋狀體中存在兩種相反的信號。激活信號幫助動物準備工作,折扣信號幫助動物選擇最不需要努力的獎勵。這些信號可以幫助動物爲它們需要的工作而工作,同時也確保它們不會工作得太辛苦。這些信號的存在從未在人類身上進行過測試。

埃默裏大學的研究人員推測,當執行任務的物理成本上升時,激活信號會推動腹側紋狀體的活動增加,而打折信號會推動腹側紋狀體的活動減少。他們提出,同時發出這兩種信號——努力的成本與努力本身的激活——使得之前的研究更難探測到價值信號。

檢測與體力活動相關的大腦活動的另一個併發症是,神經成像要求參與者躺在功能性磁共振成像(fMRI)機器裏,同時對他們的大腦進行掃描。

爲了解決這些問題,研究人員設計了功能磁共振成像實驗,該實驗可以讓參與者保持仰臥姿勢,並將涉及努力的神經信號與與努力成本相關的神經信號分離開來。

在第一組實驗中,研究人員創建了一個虛擬迷宮。在對研究參與者的大腦進行掃描的同時,研究人員向他們展示了需要不同程度努力才能完成的迷宮導航任務。在一種情況下,參與者被動地看着自己在虛擬迷宮中移動。在另一種情況下,他們只需按下手持設備上的一個按鈕就可以穿過迷宮。第三種情況需要更大的努力,反覆快速地按下按鈕,以穿過迷宮。每個迷宮,當他們成功完成時,獎勵他們一個名義上的金額。

在第二個實驗中,研究人員測量了參與者在兩個選項之間做出一系列選擇時的神經活動,每個選擇需要不同的獎勵和努力。努力量和獎賞量是按順序呈現的,試圖在預期各種努力需求時分離努力激活信號。

結果顯示,腹側紋狀體的兩個不同區域會對不同階段的體力勞動和基於體力勞動的決策做出反應,而且有一些重疊。

前部區域的活動主要與獎勵和努力成本有關,而背部區域的活動主要與努力運動的開始有關。這種與努力運動相關的活動不同於另一個區域的活動,即殼核,它與簡單運動的開始有關。

研究人員現在希望以此爲基礎,進一步瞭解大腦是如何編碼與動機相關的信號的。

Suzuki說:“我們目前的論文爲如何測量大腦活動提供了一個範例,這些活動是在與分配任務相關的基於努力的決策中進行的。”

“現在我們正在開發實驗,以識別人們自發行動時發出的特定信號模式。這或許能讓我們更好地瞭解,在現實生活中,當人們出於自願而做事時,大腦是如何運作的。對人們通常是如何決定付出努力的進行敏感的測量,可能有助於我們開發出更好的治療方法,幫助那些患有與抑鬱症或其他疾病相關的動機缺失症的人。”

參考文獻

Suzuki, S., et al. (2020) Distinct regions of the striatum underlying effort, movement initiation,and effort discounting. Nature Human Behavior. doi.org/10.1038/s41562-020-00972-y.

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