想象一下，你正在学习骑自行车。每当你成功保持平衡，你就会感到自豪和快乐。这种快乐的感觉，部分是由大脑中的多巴胺（dopamine, DA）和血清素（serotonin, 5-hydroxytryptamine, 5HT）这两种神经递质产生的——多巴胺是“快乐化学物质”，而血清素则是温柔的情绪稳定剂。多年以来，科学家们一直在争论这两种物质是如何相互作用的。
为了探索这个问题，斯坦福大学的研究人员创造了一种特殊的小鼠模型，从而得以同时观察多巴胺和血清素神经元的活动。他们还使用了光遗传学技术，通过光控制神经元的活动。这项研究于2024年11月25日在线发表在《自然》（Nature）杂志上，首次准确地展示了多巴胺和血清素是如何共同作用以塑造生物的行为，该研究发现，当小鼠得到奖赏（比如糖水）时，大脑中伏隔核区域的多巴胺信号会增加，而血清素信号会减少。这就像是一场大脑中的“奖赏竞赛”，多巴胺和血清素在这场比赛中扮演着对手的角色（CardozoPinto et al., 2024）。
多巴胺和血清素都很重要
研究早已表明，多巴胺和血清素在不同物种的学习和决策过程中发挥着至关重要的作用。然而，这些神经递质之间的确切相互作用却一直不清楚。多巴胺与预测和寻求奖赏有关，而血清素似乎能缓和这些冲动并促进长期思考。
针对两者间的相互作用，目前主要有两种理论解释：一种是“协同假说”（synergy hypothesis），认为多巴胺处理短期奖赏，而血清素则管理长期利益；另一种是“对立假说”（opponency hypothesis），认为二者是平衡我们决策的对立力量，多巴胺敦促立即行动，而血清素则建议耐心等待。该研究首次对这些相互竞争的假说进行了直接的实验测试。
联想学习过程中多巴胺和血清素的双重控制
为了同时观察到多巴胺和血清素神经元的活动，该研究小组首先确定了多巴胺和血清素系统在小鼠大脑中相互作用的位置，特别是在被称为伏隔核的边缘区域，该区域在情绪、动机和奖赏处理中起着关键作用。随后，他们使用病毒将特殊的颜色标签（一种红色，一种绿色）放在这些神经元上，这样他们就可以在显微镜下看到它们的活动。然后，他们让小鼠参加一个“学习游戏”，小鼠需要学会一个声音预示着糖水奖赏的到来。
通过观察，研究人员发现，多巴胺和血清素神经元的反应方向相反——多巴胺信号随奖赏的增加而上升，而血清素神经元信号则下降。他们还发现，如果他们使用光遗传学技术同时关闭这两种信号，小鼠就无法学习新的奖赏关联。结果显示，阻断多巴胺和血清素信号使小鼠无法将声音和光线线索与含糖奖赏联系起来。更令人惊讶的是，单独恢复多巴胺或血清素信号不足以让动物再次学习。只有在两个系统都在线的情况下，动物才能成功地利用线索预测奖励的到来。
该文第一作者CardozoPinto回忆说：“该项目中最令人惊讶和难忘的时刻是我进行第一次光遗传学实验的时候，我测试了小鼠是更喜欢多巴胺增强的体验，还是更喜欢血清素下降的体验，抑或是两者同时出现的体验。我们把小鼠放在一个盒子里，把盒子的不同部分分别与这些体验配对，这样小鼠就可以用脚投票决定它们更喜欢哪种体验。我永远不会忘记实验结束时走进房间，看到所有小鼠都站在代表两种操作的盒子边上时的激动心情。在科学界，能立即看到如此惊人的结果是非常罕见的，我们提供的第一个直接证据，支持了多巴胺与血清素相对立的假说。”
调和多巴胺和血清素以改善精神病治疗
这项研究告诉我们，多巴胺和血清素在大脑中是如何相互作用，进而帮助我们学习的。这两个系统的作用有点像汽车的油门和刹车。当事情比预期的要好时，多巴胺就会发出“出发”信号，从而鼓励寻求奖励的行为。与此相反，血清素似乎会在这一过程中踩刹车，发出“停”或“等”的信号，从而帮助我们更有耐心地考虑长期后果，而不仅仅是眼前的回报。研究表明，有效的学习需要多巴胺发出的“开始”信号和血清素发出的“等待”信号，这样有机体才能正确评估和应对奖励机会。
这些发现对于理解我们如何学习新事物、如何感到快乐非常重要。它们还可能帮助我们理解为什么有些人更容易上瘾，或者为什么某些人更容易患上抑郁症，血清素信号的减少可能会损害行为灵活性和长期规划。该项研究表明，多巴胺和血清素系统构成了奖赏的气闸系统，这表明未来的工作重点可以放在这两个系统之间的相对平衡上。例如，在成瘾治疗中，疗法的目的可能是抑制过度活跃的多巴胺信号，同时提高血清素的活性。在抑郁症治疗中，目标可能是增强这两种系统，以改善人们的动机和长期规划。
这项研究为我们打开了许多新的可能性，未来可以探索如何通过调节这些神经递质来帮助人们学习，或者治疗那些学习或情绪有问题的人。通过研发括新的药物，或者新的心理治疗方法，可以帮助人们更好地控制他们的行为和情绪。
