Sci Adv：動物通過累加刻板動作來估計時間？華東師范大學(xué)金鑫團(tuán)隊揭示行為整合神經(jīng)機制

動物在做猜時間任務(wù)時，常常會不自覺地重復(fù)一些小動作，比如搖頭、轉(zhuǎn)圈或反復(fù)按按鈕。但大家還不知道：這些動作到底是它們無聊瞎動，還是真的在用這些動作幫自己數(shù)時間？

2026年1月2日，華東師范大學(xué)運動控制與疾病研究中心、華東師范大學(xué) - 紐約大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)聯(lián)合研究中心（上海紐約大學(xué)) 金鑫教授團(tuán)隊在Science Advances發(fā)表：A behavioral integration mechanism underlies action timing，揭示了一種行為整合機制構(gòu)成了動作時序的基礎(chǔ)。

在此，作者利用光遺傳學(xué)技術(shù)，在接受動作時序任務(wù)訓(xùn)練的小鼠中，對腦干、丘腦以及多巴胺能神經(jīng)元群體進(jìn)行刺激，從而操控小鼠在做出時間判斷前的行為。作者的研究發(fā)現(xiàn)，在等待期間對行為進(jìn)行雙向調(diào)控會導(dǎo)致相應(yīng)的時間判斷偏移，并且等待期間行為次數(shù)的變化與停止計時的偏移之間存在一致的定量關(guān)系。有意思的是，黑質(zhì)-紋狀體多巴胺通路并不直接“讀時間”，而是編碼動物做了什么動作。只有當(dāng)動物在等待時的動作被調(diào)控了，才會影響它對時間的判斷。這說明，動物在等待時做的小動作，其實就像內(nèi)心打拍子的節(jié)拍器，幫它估算時間。

圖一 停止時間決定計時精度

在自然環(huán)境中，動物覓食時需要估算時間比如判斷等多久才值得繼續(xù)找食物。實驗室里常用峰值程序來模擬這種行為：小鼠學(xué)會在30秒后按壓杠桿才能獲得食物。

結(jié)果：

在部分試驗中（探測試驗），按壓沒獎勵，杠桿會一直伸出150秒。平均來看，小鼠在接近30秒時按壓最多形成一個鐘形曲線，似乎它們在猜時間。但深入分析單次試驗發(fā)現(xiàn)：小鼠其實不是慢慢加速再減速，而是一旦開始按壓，就會以穩(wěn)定速度連續(xù)按一串，直到主動停下。這個停止時間”非常穩(wěn)定，而開始時間則變化很大。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，如果開始得早，按壓序列就長；開始得晚，序列就短，但停止時間幾乎總落在30秒附近。這說明，小鼠真正記住的不是什么時候開始，而是什么時候該停。因此，在研究動物如何感知時間時，停止時間比整體按壓峰值更可靠，更能反映其內(nèi)部計時能力。這也提示：重復(fù)性動作本身可能就是動物用來數(shù)時間的工具。

圖二 通過光遺傳學(xué)刺激腦干LGPi抑制伴隨行為，會延遲停止計時

以往研究發(fā)現(xiàn)，動物在計時期間常出現(xiàn)重復(fù)性動作（如提前按壓杠桿），但這些刻板行為究竟是打發(fā)時間的副產(chǎn)品，還是參與計時的功能組件，尚不清楚。為區(qū)分這一點，作者避開傳統(tǒng)計時腦區(qū)（如紋狀體），轉(zhuǎn)而操控不直接參與計時、僅控制運動輸出的腦干核團(tuán)外側(cè)旁巨細(xì)胞核（LPGi）。在小鼠LPGi中特異性激活GABA能神經(jīng)元可在不干擾認(rèn)知的前提下短暫抑制杠桿按壓。

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結(jié)果：

在30秒計時期間（如9.5s、18.5s或27.5s）短暫抑制按壓會劑量依賴性地延遲停止時間：按壓減少越多，停止越晚且二者高度相關(guān)。對照實驗排除了光刺激本身或注意力干擾的影響。此外，每次按壓序列的總次數(shù)不變，說明動物并非簡單“補按”，而是根據(jù)已執(zhí)行的動作量來判斷何時停止。綜上，等待期的刻板動作不是計時的“噪音”，而是內(nèi)部時鐘賴以運作的節(jié)拍器，動物通過整合這些動作來精確估計時間。

圖三 紋狀體多巴胺動態(tài)變化反映的是運動行為而非動作計時

大量研究表明多巴胺參與間隔計時，但它同時也調(diào)控運動和動作選擇。因此，一個關(guān)鍵問題是：多巴胺是直接編碼時間信息，還是僅通過影響動作間接改變計時表現(xiàn)？為解答這一問題，作者在小鼠背側(cè)紋狀體植入高靈敏度多巴胺傳感器（DA2h），實時監(jiān)測其在30秒計時任務(wù)中的信號變化。

結(jié)果：

多巴胺活動與杠桿按壓行為高度同步，每次按壓都引發(fā)一個清晰的多巴胺峰值，但沒有出現(xiàn)隨時間累積上升或在30秒時特異性下降的模式，而這些正是直接編碼時間所預(yù)期的特征。即使將信號對齊到按壓序列的開始或結(jié)束時刻，也未發(fā)現(xiàn)與時間相關(guān)的規(guī)律性變化。而且，在任務(wù)早期或晚期發(fā)生的按壓，所引發(fā)的多巴胺反應(yīng)強度基本一致，說明其不攜帶時間信息。此外，用氟哌啶醇阻斷D2受體后按壓相關(guān)的多巴胺信號消失，進(jìn)一步驗證了信號的特異性。綜上，黑質(zhì)-紋狀體多巴胺通路主要反映做了什么動作，而非何時該做。它對計時的影響很可能是通過調(diào)控刻板動作間接實現(xiàn)的，而非作為內(nèi)部時鐘的直接組成部分。

圖四 通過光遺傳學(xué)刺激腹外側(cè)丘腦增強伴隨行為，可提前停止計時

為驗證增加按壓會提前停止計時的模型預(yù)測，作者通過光遺傳激活一個促進(jìn)運動的腦區(qū)丘腦腹外側(cè)核（VL）。

結(jié)果：

在小鼠等待期間短暫刺激VL的谷氨酸能神經(jīng)元，顯著增加了杠桿按壓次數(shù)，并導(dǎo)致停止時間明顯提前，且提前幅度與按壓增加量高度相關(guān)。有趣的是，即使是在抑制運動（如短暫激活LPGi）后出現(xiàn)的反彈性按壓增多，同樣會縮短停止時間。這表明，無論按壓是被主動促進(jìn)還是被動反彈，其累積量都會直接影響計時終點。這些雙向操控實驗一致證明：停止時間并非由內(nèi)部時鐘單獨決定，而是依賴于等待期間所執(zhí)行的動作總量。研究結(jié)果有力支持行為整合模型：即動物通過累加刻板動作來估計時間，動作本身就是計時的核心組成部分。

本研究發(fā)現(xiàn)，動物通過累積自身刻板動作（如按壓杠桿）來估計時間，這些動作充當(dāng)內(nèi)部時鐘的“起搏器”。當(dāng)動作總量達(dá)到習(xí)得閾值時，行為停止，完成計時。這表明時間感知并非純認(rèn)知過程，而是依賴于身體動作的整合，為理解間隔計時的神經(jīng)機制提供了新視角。

文章來源

DOI: 10.1126/sciadv.aea5558

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