科研进展 | 合作能力与演化的关系以及合作产生的神经机制
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2021-11-19 00:08
本文来源： 脑科学与智能技术卓越创新中心
2021年11月16日，《Cell Reports》期刊在线发表题为《哺乳动物合作行为的演化及其神经表征》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室王佐仁研究组完成。该研究建立了一个定量评估合作行为（cooperative behavior）的实验范式，发现了不同哺乳动物物种的合作能力与它们在进化上的层级一致，并且找到了与合作相关的神经表征。
合作行为在自然界中非常普遍，它对动物的生存和人类社会的发展至关重要。一些科学家认为合作是与突变和自然选择同等重要的推动进化的支柱。突变和自然选择可以解释同一个组织层次事物的变化，而合作在更广泛的空间发挥作用，才使30亿年前的微生物世界变成现在这样多样而复杂的社会。因此研究合作的演化及其背后的生物学机制对于理解现代社会的形成具有重要的意义。然而合作行为是如何发生的仍然不是很清楚。
哺乳动物的合作是多个动物个体一起行动来实现共同利益的行为，而且这个过程需要高级认知的参与。之前的研究主要是基于神经经济学理论，以灵长类为实验对象，利用功能磁共振成像或者脑电来研究与合作相关的大脑活动，发现了一些与合作行为相关的脑区，这些脑区也被认为与社会行为和奖励相关，包括眶额叶皮层（orbitofrontal cortex，OFC）以及其他前额叶皮层（prefrontal cortex）子区等。但是对非灵长类哺乳动物的合作行为的定量研究，并且通过在细胞层面的神经电生理研究神经机制的工作极少。
建立合作行为范式
合作能力与进化树
在建立了这样的范式之后，该研究团队关心的第一个问题是合作能力与演化的关系。他们充分利用已有的模式动物资源，包括小鼠、大鼠和树鼩，比较它们在合作任务中的表现。结果发现，在最难的测试条件下（时间窗为0.5 s），树鼩的合作成功率最高，但是碰鼻触的次数却比大鼠要少，显示了树鼩采取了更有效率的方法来实现合作。在三种模式动物中，小鼠的表现最差，在三个阶段的合作成功率都是最低的。这些结果提示，这三个物种的合作能力与他们在进化树上的层级系相一致。随着进化上越来越靠近人类，合作能力越来越强。
脑区与扮演角色
接着研究人员研究了合作背后的神经机制。通过在体电生理记录技术，采集大鼠OFC和前边缘皮层（prelimbic cortex，PRL）的神经元活动。分析发现这两个脑区的神经元可以编码合作的不同方面，比如，大鼠在合作任务中所扮演的角色（起始者 vs. 跟随者）以及合作是否成功（成功 vs. 失败）。
神经元与合作&奖励
更重要的是，研究团队比较了两个脑区神经元在合作任务与非合作任务之间的反应差异和在奖励高的任务与奖励低的任务之间的反应差异，发现OFC和PRL的神经元对于合作与奖励的表征不同：前者更倾向于编码与合作相关的信号，而后者更倾向于编码与奖励相关的信号。
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该研究建立了一个定量评估合作行为的范式，发现了社会交流对于合作行为有重要贡献。
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此外，研究发现小鼠、大鼠和树鼩的合作能力与它们在进化树上的层级一致。这为哺乳合作能力与进化的关系提供了新的证据。
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研究人员还发现OFC和PRL的神经元可以编码大鼠在合作过程中扮演的角色以及合作的成功与否。
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更重要的是，他们发现与合作相关的信号和与奖励相关的信号在大脑中的神经表征不同。
在社会环境中，区分不同角色的能力可能是共情等社会行为产生的基础，对于建立有效的合作以及发展群体智能很必要。此外，一些精神障碍类患者缺乏与他人合作的能力，定量检测合作行为的范式以及一些相关的神经表征也许能够帮助这些疾病的诊断和治疗。
图注：哺乳动物合作行为的演化及其神经表征。（左上）做合作任务时，大鼠会进行交流。（右上）小鼠、大鼠和树鼩在合作任务中的表现。（右下）OFC和PRL的神经元活动对合作信号和奖励信号的表征。
该研究在王佐仁研究员和杨天明研究员的指导下，主要由博士研究生蒋梦萍、王淼垚鑫（共同第一作者）和石倩倩（共同第一作者）完成，研究组高级实验师魏磊、博士研究生林永钦、博士研究生刘博弈也对课题做出了贡献，该研究得到昆明动物所徐林研究员和工作人员聂修鹏，以及中科院自动化所乔红研究员的支持。该项研究还得到了中科院脑智卓越中心其它研究组和平台多位老师和同学的帮助。本工作得到中科院、基金委、科技部和上海市政府的资助。
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