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我们是如何产生情绪和欲望的

2020 / 09 / 23Nature

两年前,哈佛大学的詹妮弗·李(Jennifer Li)和德鲁·罗布森(Drew Robson)在一项研究斑马鱼大脑的实验中获取了大量的数据,通过梳理,他们偶然间发现了一些似乎具有特异功能的细胞。

这两位神经科学家计划通过绘制斑马鱼幼体觅食期间的大脑活动图像,观察神经颤振如何变化。他们在哈佛大学建立了一个技术平台,这项实验正是第一次重要的测试。在这个平台上,他们可以观察到这些幼体——大小和人的眼睫毛差不多——大脑中的每个细胞,它们可以在直径为35毫米的培养皿中自由地游动,以微小的猎物为食。

在如山的数据中,研究人员发现了一些神经元,可以预测幼体下一次会在什么时候捕获并吞下食物。其中一些神经元甚至在幼体盯上猎物之前的几秒钟就已经被激活了。

大脑中的神经元如何使我们产生情绪?
大脑中的神经元如何使我们产生情绪?

还有一件很奇怪的事。研究人员对这些数据进行了更详细的研究后,发现“精神”(psychic)细胞的活跃时间异乎寻常地长——不像大多数神经元通常只活跃几秒钟,这些细胞会活跃长达数分钟。实际上,这也差不多是斑马鱼幼体捕食的持续时间。

“这太可怕了,”詹妮弗·李说,“所有这些都说不通。”她和罗布森开始查阅文献,渐渐意识到这些细胞应该是在设定一种整体的“大脑状态”,即一种持续的大脑活动模式,使幼体对眼前的食物做好准备。他们还了解到,在过去几年里,其他科学家也利用各种方法和不同物种发现了改变动物行为的大脑内部状态,即使外部环境没有任何变化。

詹妮弗·李和罗布森是在分析大脑数据时偶然取得这一发现的,但还有另一群人是先提出,假设编码大脑内部状态的神经元一定存在,之后积极地在独立的、得到充分研究的大脑区域中寻找它们。例如,在今年早些时候,加州理工学院的神经生物学家大卫·安德森(David Anderson)和同事们发现了大脑中一种以一个小型神经元网络为代表的内部状态。这种状态可以使果蝇为求爱或战斗行为做好准备。

神经科学家希望能够了解大脑的编码语言。一般来说,传统的做法是研究大脑的细胞网络如何对感觉信息做出反应,以及如何产生行为,比如运动或说话等。然而,他们无法详细观察这两者之间重要的中间环节——大量的神经元活动。这些活动隐藏了代表动物情绪或欲望的模式,而正是这些模式帮助动物校正自己的行为。测量构成大脑内部状态的基础是一些特定的细胞网络,就在几年前,测量这些网络的活动还很难实现。

但近年来随着大量新技术的应用,情况已经开始改变。新的方法使科学家能以前所未有的细节追踪大脑中的电活动,以毫秒为单位来量化动物的自然行为,并在这些实验产生的海量数据中找到模式。这些模式可能是大脑可能采取的无数内部状态的标志。现在,研究人员面临的挑战就是确定这些状态意味着什么。

三组神经元分别控制着斑马鱼幼体呆在原地(左)、去别处探索(中)以及在这两种状态之间切换(右)
三组神经元分别控制着斑马鱼幼体呆在原地(左)、去别处探索(中)以及在这两种状态之间切换(右)

一些神经科学家正在大胆地运用新技术来探测一类强大的大脑内部状态:情绪。另一些研究者则将目光投向了“动机”等状态,或“渴望”等存在驱力。有的研究人员甚至在还没被学界冠以专有名称的数据中发现了大脑内部状态的标志。

目前关于大脑内部状态的研究论文越来越多。这些研究甚至可能具有潜在的临床应用价值。美国国家心理卫生研究院的负责人乔舒亚?戈登(Joshua Gordon)表示:“精神疾病本质上是对大脑内部状态的破坏。我们需要理解这些状态。”

大脑内部状态的框架

任何动物的大脑都在不断地受到来自感觉器官(如眼睛、耳朵、鼻子或皮肤)的环境信息轰炸。最初,这些信息全部都是在大脑的感觉皮层中处理的。接下来就是更神秘的处理步骤,信息会在这些步骤中通过多种大脑内部状态得到过滤,而这些状态就代表了生物不断变化的情绪和需求。这将最终导致运动皮层产生与环境相适应的运动行为,比如拍打一只造成瘙痒的苍蝇,或是走向美味的食物。与此同时,内部状态也完全可以在大脑中产生,不需要感官输入,也不需要行为输出:想象一下做白日梦的情景,或者在脑海中重演当天发生的事情。

在过去几年中,对大脑内部状态本质的洞察正在改变科学家对动物行为的看法,尤其是研究大脑网络的神经科学家。“过去我们认为动物就是某种对刺激产生反应的机器,”纽约冷泉港实验室的神经科学家安妮·邱吉兰德(Anne Churchland)说,“现在我们开始意识到,它们的大脑中会产生各种各样有趣的东西,而这些东西改变了感官输入信息的处理方式,从而改变了动物的行为输出。”

如何研究这一有趣的中间地带一直是大卫·安德森关注的焦点。六年前,他决定创建一个理论框架来研究代表情绪的大脑内部状态。他对一些心理学家的观点感到厌烦,这些心理学家认为,由于动物无法用语言表达它们的感觉,因此这些感觉根本无法被研究。安德森和加州理工学院的同事拉尔夫·阿道夫斯(Ralph Adolphs)共同发表了一项假说,对大脑内部状态相关神经回路应有的特征进行了阐述。

他们认为,最重要的是,大脑内部状态应当比触发它的原始刺激持续更久。因此,支撑这种状态的神经回路的关键特征之一就是持久性。“如果你在山中徒步旅行时看到一条蛇,当时可能会吓得跳起来,”安德森说,“十分钟后,你大脑内部的恐惧状态仍然活跃,因此当你又看到路上有根棍子时,你可能会再次跳起来。”

大脑内部状态的其他特征应该还包括普遍性(即不同的刺激应该能够导致相同的状态)和可伸缩性(即不同的刺激可以产生不同强度的状态)。安德森等人的这篇论文变得很有影响力。詹妮弗·李表示,在她和罗布森试图理解“精神细胞”的过程中,这篇论文“很有启发”。

在华盛顿州西雅图的艾伦脑科学研究所,研究人员使用神经像素探针同时记录了数百个神经元的活动
在华盛顿州西雅图的艾伦脑科学研究所,研究人员使用神经像素探针同时记录了数百个神经元的活动

安德森和阿道夫斯在2014年发表了他们的论文,当时大量的神经学技术开始应用,使必要的实验变得可行。研究人员可以同时记录大量单个神经元的活动,而且自那时起,相关技术得到了显著的改进和扩展,使得科学家能够分析以前难以观察的活动。

其中最先进的技术是神经像素探针(Neuropixels probe),长度仅有10毫米,可以直接记录大脑不同区域数百个神经元的活动。此外,特殊的成像技术可以呈现大脑中成千上万活跃的单个神经元。例如,在钙成像技术中,经过基因工程改造的动物会在细胞中表达一种能检测钙离子的分子,当神经元放电,即钙离子涌入时,神经元就会发出荧光。

研究人员还可以利用新的自动行为监视器,在数小时内拍摄动物自由行为的视频,并以毫秒为单位分析每一个动作。然后,这些单位动作可以与神经记录进行校准,将每时每刻的大脑活动与特定的动作相匹配。

如今,神经科学家们已经利用机器学习、人工智能和不断涌现的数学工具,来理解这些新技术实验中产生的海量数据,并得出可能代表大脑内部状态的神经激活模式。

行为的准备

在关于大脑内部状态的第一次研究中,安德森决定以果蝇的攻击性作为研究基础,此前他的实验室就做过这方面的工作。果蝇具有一个包含大约10万个神经元的微型大脑。在许多动物中,雄性会在雌性在场的情况下开始相互争斗,安德森将这种行为称为“海伦效应”(Helen of Troy effect),源于希腊神话中一位女性的追求者之间爆发战争的故事。果蝇也不例外:间接证据表明,与雌性接触会导致雄性发出求偶声,并对其他雄性做出长达数分钟的攻击行为。“在果蝇短暂的生命中,这是很长的一段时间,”安德森说道。

他决定寻找与这种持续求偶和战斗行为相关的神经活动。研究表明,这些行为是由被称为P1的神经元发起的,而P1所处的大脑区域就控制着诸如此类的社会行为。这些神经元放电的速度非常快,因此它们本身无法维持这种大脑内部状态。通过使用成像技术和自动化行为分析,安德森的团队识别出在大脑其他区域中,由于P1激活而变得活跃的细胞。

这些细胞被称为“跟随细胞”,大多数会快速地开启和关闭,但一群名为“pCd”的神经元却能在数分钟内保持活跃。当研究人员将一种光敏蛋白插入这些细胞,并用激光的闪光使它们关闭时,P1激活对行为的持续影响消失了。当他们绕过P1直接激活pCd时,什么也没有发生。因此,pCd神经元需要P1作为触发器,一旦启动,它们保持活跃的时间会比最初的刺激长得多。安德森表示,如果必须给这种状态起个名字的话,他可能会称之为“加入社交行为准备”状态。

安德森的团队在小鼠身上做了一个类似的实验,小鼠拥有更复杂的大脑,包含约1亿个神经元。研究人员在小鼠下丘脑发现了一组特殊的神经元,就像pCd神经元一样,会由于某种先天驱力——比如恐惧——而持续被激活。当科学家把一只大鼠放在实验用小鼠旁边,只需几秒钟,小鼠就会做出防御性的反应,紧贴墙壁好几分钟;在这段时间内,这组神经元一直保持活跃。当研究小组再次使用光开关这些神经元时,即使没有大鼠在场,这种“抱墙”行为也会一前一后地出现和消失。

即使在执行任务时,这只小鼠的大部分大脑活动都只是为了抽动它的胡须
即使在执行任务时,这只小鼠的大部分大脑活动都只是为了抽动它的胡须

目前,神经科学家不断发现在大脑不同区域具有持续活动的其他神经元组。瑞士巴塞尔弗里德里希·米舍尔生物医学研究所的安德里亚斯·吕蒂(Andreas Luthi)和巴塞尔大学的扬·格伦德曼(Jan Grundemann)使用钙成像技术研究了小鼠的杏仁核。杏仁核是调节一系列情绪和行为的中心。研究小组发现,当小鼠在两种截然不同的行为——探索环境和表现出防御行为(如僵住不动)——之间切换时,两组不同的神经元会表现出持续但相反的活跃状态。

格伦德曼承认,杏仁核细胞不太可能独立工作,大脑各个区域的细胞都参与并维持了探索或防御状态。他说:“我确信这只是更大的大脑网络中的一个节点。”

整体图景

在许多研究人员在特定的大脑区域寻找持续活跃的神经元的时候,詹妮弗·李和罗布森偶然间发现了斑马鱼幼体大脑中同样持续活跃的神经元。去年9月,这两位研究者移居德国,在位于图宾根的马克斯·普朗克生物控制学研究所共同运营一个实验室。

他们研究的斑马鱼幼体还没有果蝇复杂,只有大约8万个脑细胞。这些小鱼是透明的,因此它们几乎所有神经元的活动都可以同时通过钙成像来监测。

两位研究者开发了一种方法,可以同时跟踪幼鱼在培养皿中自由游动时的运动和神经活动。他们在成像平台上部署了荧光显微镜跟踪系统,使幼体保持在恒定视野内,并捕捉每一个神经元在幼体移动时的每一次闪光。该系统还对幼体进行拍摄——通常拍摄时长为90分钟,生成4.5TB的数据——使实验者能够逐秒地将它们的运动与神经元活跃程度结合起来。

鱼类幼体可能没有小鼠、甚至果蝇那样丰富的大脑内部状态,但它们在一生中至少会表现出一种稳定的行为选择:是“在局部猎食”,还是“游到陌生的水域寻找新的食物来源”。当研究人员观察幼鱼做出选择时,他们发现了三组神经元:一组在局部捕猎时持续活跃;另一组在探索时保持活跃;第三组则在幼鱼切换状态时短暂闪现。令人惊讶的是,这些状态每隔几分钟就会自动切换一次,而饥饿似乎并没有对此产生影响。“就像我们自己的睡眠-觉醒状态会自动切换一样,只不过这种切换的时间尺度要短得多,”罗布森说道。

研究更复杂生物的神经科学家无法同时监控整个大脑,但可以通过大脑中广泛分布的网络来寻找大脑内部状态的线索。在技术上颇具挑战性的小鼠实验中,神经科学家用钙成像技术来记录大脑中数千个神经元的活动,用单个神经像素电极来记录数百个神经元的活动,有时几个电极可以同时插入。

在2019年发表的一项研究中,斯坦福大学的神经学家卡尔·戴瑟罗斯(Karl Deisseroth)和他的团队使用神经像素探针,记录了口渴的小鼠在舔水时,34个皮层和皮层下大脑区域中24000个神经元的活动。研究人员能够从与舔舐行为有关的信号中梳理出与大脑口渴状态相关的信号。他们发现,这些标志状态的神经元在整个大脑中都被激活了,而不仅仅是在下丘脑——调节口渴的神经元所在的位置。

利用这些广泛的记录技术,神经科学家逐渐发现,当动物在执行一项任务时,其大脑表面下隐藏着许多过程。而且乍看之下,并不是所有的过程都相关。在2019年的一篇里程碑式的论文中,伦敦大学学院的肯尼斯·哈里斯(Kenneth Harris)与邱吉兰德领导的团队发现,当一只小鼠在执行一项任务时,其整个大脑的神经元都被激活,但大部分的激活与任务完全无关。相反,一些活跃的神经元与动物的不安运动有关;而在与任务无关的活跃神经元中,有大约三分之二与任何运动或动作都不相符。“部分原因可能与大脑内部状态有关,”哈里斯说道。

忙碌的大脑

许多神经科学家认为,全脑实验产生的海量数据是该领域最大的瓶颈。不过,他们在开发筛选大量测量数据的技术方面也取得了进展。一种流行的方法是使用隐马尔可夫模型(hidden Markov model,简称HMM)来预测系统在特定时间在不同状态之间切换的概率。

普林斯顿大学的玛拉·默蒂(Mala Murthy)和她的同事利用隐马尔可夫模型发现了雄性果蝇大脑中的节律,这种节律会影响它们在求爱时选择的鸣声模式。雄性果蝇是选择断断续续、有节拍的“歌声”,还是长时间的嗡嗡声,很大程度上取决于雌性果蝇对它们的反应,但不是全部。默蒂的研究小组发现,三种不同的大脑内部状态也会影响雄性的“歌声”选择。他们将果蝇的这三种状态戏称为“亲近”、“追逐”和“无所谓”。

麻省理工学院的史蒂夫·弗拉维尔(Steve Flavell)表示,无论研究者采用的生物模型有多复杂——蠕虫、鱼、果蝇抑或是小鼠——整个大脑如何协调内部状态的问题“正是我们需要开始思考的”。2013年,弗拉维尔和同事们发现,即使是只有302个神经元的秀丽隐杆线虫的大脑,也表现出驱动特定行为的大脑内部状态的特征,包括两组持续活跃的神经元,它们控制着线虫是逗留在局部,还是有目的地移动。此后,他的研究小组又确定了涉及这两种状态并在二者之间转换的完整神经回路。

除了基础生物学的问题,研究人员还着眼于理解大脑内部状态可能带来的临床益处。例如,在利用啮齿动物模型研究疼痛时,研究者往往依赖标准的试验方法,比如观察一只大鼠何时将爪子从热盘子中举起。马萨诸塞州波士顿儿童医院的神经学家克利福德·伍尔夫(Clifford Woolf)说:“这种运动反映了对疼痛的保护作用,但并不是对疼痛的实际感知。”因此他认为,这是一个糟糕的疼痛模型,因为距离实际的感觉还差了一步。伍尔夫已经启动了一个研究项目,试图直接读懂大脑中表明疼痛感知内部状态的信号,这可能比等待动物的反应更及时、更具体。他说:“我非常乐观地认为,我们正处于科学上一个罕见的阶段,这将是我们做事方式的一个转变。”

詹妮弗·李表示,在这个新领域,即使最基本的东西都有待争取,“在这个阶段,我们仍在试图理解问题是什么”。

撰写:艾利森·阿博特(Alison Abbott)