大脑如何产生情绪和欲望？走进动物的大脑瞧一瞧
2020/9/4 22:00:41 大象公会
本文由《Nature 自然科研》授权转载，欢迎访问关注。
原文作者：Alison Abbott
神经科学家正在检查大量数据，希望从中了解大脑是如何产生情绪和其他内部状态的，比如攻击性和欲望。
两年前的一天，Jennifer Li和Drew Robson正在查阅一项斑马鱼大脑实验产生的几TB数据，突然发现了一些似乎有着“超能力”的细胞。
插图：Karol Banach
这两位神经科学家原计划绘制斑马鱼幼鱼觅食时的脑活动图谱，看看神经对话是如何发生变化的。他们之前在哈佛大学建立了一个技术平台，这是他们首次对其进行正式测试。当幼鱼(只有一根眼睫毛大小)在一个直径35毫米的注水培养皿中自由游动，并享用它们的微观猎物时，这个平台可以看到幼鱼脑内的每个细胞。
在堆积如山的数据中，两位科学家发现有一些神经元能预知幼鱼接下来什么时候会捕捉并吞咽它的食物，其中部分神经元甚至在幼鱼盯上猎物前的好几秒就激活了[1]。
奇怪的不止这些。通过仔细研读数据，他们还发现这些“超能力”细胞可以保持异常久的激活时间——不像大部分神经元通常只激活几秒，它们能激活好几分钟。事实上，差不多能在幼鱼每次的捕食过程中都保持激活。
“好诡异，”Li说，“这一切都说不通。”
于是，Li和Robson开始查阅文献，并慢慢意识到，这些细胞一定是在设定一个整体的“脑状态”——一种长时间的脑活动模式，可以让幼鱼准备好捕捉眼前的食物。两人发现，在过去几年里，其他研究人员也用各种方法和不同物种，发现了会改变动物行为的脑内部状态(internal brain state)——即使它们的外部环境从未发生改变。
以Li和Robson为例，一些研究人员在分析他们的全脑数据时，也获得了同样的意外发现。其他研究人员提出了假说，认为必定存在编码脑内部状态的神经元，并在已经研究透彻的不同脑区中积极搜寻这些神经元。今年早些时候[2]，加州理工学院(Caltech)的神经生物学家David Anderson和同事确定了一种脑内部状态——由一个很小的神经元网络表示——这种内部状态能让果蝇准备好做出求偶或战斗的行为。
希望了解大脑编码语言的神经科学家，一般研究的是大脑的细胞网络是如何对感觉信息做出反应并产生行为的，比如运动或语言。但他们无法从细节上了解两者之间的重要信息——能揭示动物情绪或欲望模式的大量神经元电活动，以及哪些活动能帮助调整动物的行为。即使就在几年前，测量脑内部状态背后的特定网络的活动也是不可能的。
一系列新技术的出现开始让不可能成为可能。这些技术让科学家能以前所未有的细节追踪脑内电活动，在毫秒尺度上量化动物的自发行为，并在这些实验产生的海量数据中找出模式。这些模式可能反映了大脑无数内部状态的特征。现在的挑战在于，这些状态代表了什么。
三组神经元控制斑马鱼幼鱼静止不动(左)、四处探索(中)以及在这两种状态间切换(右)。来源：J. C. Marques et al./Nature
一些神经科学家敢于使用这些技术研究脑内部状态的一个强大分类：情绪。其他人则将技术用于研究动机等状态，或是口渴等存在性驱动。研究人员甚至在他们的数据中发现了用现有词汇无法形容的状态特征。
目前关于脑内部状态的少量论文正受到越来越多的关注。这些研究或具备了潜在的临床应用价值。“精神疾病本质上是内部状态受到破坏，”美国国立精神卫生研究所主任Joshua Gordon说，“它们需要被理解。”
大脑框架
任何动物的大脑都随时随地接受着周围环境信息的轰炸，这些信息来自眼睛、耳朵、鼻子或皮肤。所有这些信息先由大脑的感觉皮质处理，之后的处理步骤更加神秘，信息会经过多个脑内部状态过滤，这些内部状态代表了动物不断变化的情绪和需求。最终，运动皮质会产生符合当时情况的运动——比如赶走一只飞来飞去的苍蝇，或是靠近一顿大餐。内部状态还能全部在大脑内产生，无需借助于感觉输入和行为输出：想象一下做白日梦，或是脑海里回想一天中发生过的事。
对于研究大脑网络的神经科学家来说，过去几年里对内部状态性质的逐步了解，正在改变他们对动物行为的看法。“我们过去认为动物是某种意义上的刺激-反应机器，”冷泉港实验室神经科学家Anne Churchland说，“现在我们认识到，它们脑内会发生各种各样非常有趣的活动，这会改变对感觉输入的处理方式，从而改变动物的行为输出。”
阐明这个有意思的中间地带一直是Anderson的目标。6年前，他决定为代表情绪的脑内部状态研究建立一个理论框架。Anderson厌倦了一些心理学家的看法，他们认为因为动物无法用语言表达感受，这种感受就是无法研究的。Anderson和他在加州理工学院的同事Ralph Adolphs共同提出并发表了一种假说[3]，指出了与脑内部状态相关的神经环路应具备的特征。
最重要的是，他们认为脑内部状态的持续时间应当超过原始刺激的持续时间。因此，他说这种状态背后的神经环路的一个关键特征就是它的持久性(persistence)。“如果你在山中徒步时忽然看到一条蛇，你可能会吓得跳起来，”Anderson说，“十分钟后，你大脑的内部恐惧状态依然活跃，你在路上看到一根棍子后，可能还会跳起来。”
内部状态的其他特征还应包括可概化性(generalizability)，指不同刺激应能激起同一种状态；可扩展性(scalability)，意味着不同刺激可以产生不同强度的状态。这篇论文引起了巨大反响。Li说在她和Robson尝试 搞清楚他们的超能力细胞时，这篇论文让他们“深受启发”。
西雅图艾伦研究所(Allen Institute)的研究人员利用Neuropixels探针同时记录几百个神经元的活动。来源：艾伦研究所
Anderson和Adolphs的论文发表于2014年，当时正好涌现出很多神经技术，让必须开展的实验得以开展。研究人员已经可以同时记录大量单个神经元了，自那以后，相关技术得到了改进和扩展，可以进一步研究之前无从入手的活动。
这些技术中的佼佼者是Neuropixels探针，虽然只有10毫米长，却能直接记录不同脑区成百上千个神经元的活动[4]。此外，特殊的成像技术可以揭示大脑中多达几万个神经元正在活跃的位置。比如在钙离子成像中，经过遗传工程改造的动物，其细胞会表达一种能检测到钙离子的分子——它们在神经元放电时涌入其内，这个分子便会发出荧光。
新的自动行为监测器可以连续几小时对自由活动的动物进行录像，并对毫秒元素的每一个动作进行分析。再将这些元素与神经记录对应，就能把每个时刻的脑活动与特定动作对应起来。
神经科学家还借助机器学习、人工智能和最新数学工具的发展势头，对于这些技术在实验中动辄产生的几GB到几TB数据进行分析，挖掘出能体现脑内部状态的神经激活模式。
准备行动
第一次研究内部状态时，Anderson决定以他的实验室对果蝇的研究为基础，果蝇的微型大脑含有10万个左右的神经元。对许多动物来说，有雌性在场时，雄性便会相互攻击，Anderson称这个已经确定的行为是“特洛伊的海伦效应”(Helen of Troy effect)，这种效应来自一则希腊神话，说的是一名女性的追求者们为她发起了一场战争。果蝇也绝非例外：间接证据表明，面对雌性的雄性会发出求爱歌，还会对其他雄性表现出攻击行为，持续时间长达数分钟。“这在果蝇短暂的生命中算是很长时间了。”他说。
Anderson决定搜寻与这种持续的求偶和攻击行为相关的神经活动，这些行为是由神经元 P1引发的，P1神经元存在于控制这类社会行为的脑区中。这些神经元放电速度很快，以至于它们本身是无法维持内部状态的。利用成像技术与自动化行为分析，Anderson的团队在其他脑区中也鉴定出了因为P1激活而具有活性的细胞。
实验发现，这些“跟随细胞”(follower cell)中的大部分会快速在开和关的状态之间切换，但pCd神经元簇的活性却能维持好多分钟。当研究人员在这些细胞中插入一个光敏感蛋白，并用激光闪光来关闭它们后，P1激活对行为的持续作用消失了。当研究人员绕过P1直接激活它们时，什么都没发生：pCd神经元需要P1来触发，一旦引发行为，它们会比最初的刺激维持更长的时间[2]。如果Anderson要给这种状态取一个名字，他可能会叫它“准备好进入这些社会行为”(ready-to-engage-in-these-social-behaviours)的状态，他说。
他的团队用小鼠做了一个类似的实验[5]，小鼠的大脑更复杂，约有1亿个神经元。研究人员在下丘脑发现了一组很像pCd神经元的特殊神经元，这些神经元发生了与先天驱动——这次是恐惧——相关的持续性激活。研究人员让一只大鼠靠近实验小鼠几秒钟，小鼠会紧贴墙壁几分钟，做出防御性反应，而这组神经元在整个过程中都保持激活状态。当团队再次用光来开关这些神经元时，紧贴墙壁的行为也接连出现和消失，甚至在没有大鼠的情况下也是如此。
即使是处于某项任务中，这只小鼠的大部分脑活动也都是为了抽动胡须。来源：C. Stringer et al./Science
如今，神经科学家发现不同脑区的其他神经元群也具有持久的活性。瑞士弗雷德里希·米歇尔生物医学研究所(Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research)的Andreas Lüthi和巴塞尔大学(University of Basel)的Jan Gründemann利用钙离子成像技术，在小鼠的杏仁核中进行搜寻——已知杏仁核对于一系列情绪和行为的调节非常重要。团队发现，当小鼠在两种不同的行为之间切换——探索环境和僵住等防御性行为，此时两个不同的神经元群会出现持续但相反的激活状态[6]。
Gründemann承认杏仁核细胞不太可能单独发生作用，整个大脑的细胞都参与维持了这种探索或防御状态。“我确信这只是更大的全脑网络中的一个节点。”他说。
整体图景
虽然许多研究人员都在特定脑区搜寻过具有持久活性的神经元，但Li和Robson几乎是在纯属巧合的情况下发现了这些有持续活性的神经元。去年9月，他们前往德国马克斯·普朗克生物控制论研究所共同管理一个实验室。
他们的斑马鱼幼鱼比果蝇简单一点，只有8万个左右的脑细胞。由于这些幼鱼都是透明的，它们几乎全部的神经元活动都可以用钙离子成像技术进行同步监测。
两人发明了一种方法，可以在斑马鱼幼鱼在培养皿中自由游动时，同步追踪它们的运动和神经活动。他们部署了一种荧光显微镜追踪系统，可以在成像平台上移动，对幼鱼进行不间断观察，同时捕捉幼鱼移动过程中每个神经元的每次放电。这个系统还能给它们录像——拍摄时长一般为90分钟，可产生4.5TB的数据——实验人员可以将每秒的行动与每秒的神经元活动对应起来。
幼鱼看起来可能不像小鼠，甚至不像果蝇那样有丰富的内部生命，但它们至少要在一生中做出一个实打实的行为选择——是在周围猎食，还是游到未知水域寻找新的食物来源。Li和Robson在观察幼鱼做出选择时，发现了三组神经元：一组在幼鱼在周围猎食时持续活跃，另一组在幼鱼探索时持续活跃，第三组在幼鱼切换状态时会短暂放电[1]。出乎意料的是，饥饿貌似不会影响这些状态，这些状态每几分钟就会自动切换——“就像我们的睡眠-觉醒状态会自动切换一样，只不过它们的切换间隔要短得多。”Robson说。
有些神经科学家研究的是更复杂的生物体，他们还无法一次性监测整个大脑，但已经能发现脑内部状态的迹象了，这些状态在大脑中有着广泛分布的网络。他们在小鼠中开展了有技术难度的实验，利用钙离子成像技术记录了整个大脑里成千上万神经元的活动，还利用单个Neuropixels电极记录了上百个神经元的活动，其中好几个电极都能一次性插入。
在去年发表的一项研究中[7]，斯坦福大学的神经科学家Karl Deisseroth及其团队利用Neuropixels探针记录了口渴小鼠舔水喝时，34个皮质和皮质下脑区的2.4万个神经元的活动。研究人员从与舔舐行为相关的信号中，梳理出了与口渴脑状态相关的信号。他们发现这些指示状态的神经元在整个大脑都被激活了，而不仅是口渴神经元所在的下丘脑。
通过这些记录技术，神经科学家发现动物执行任务的表面之下有许多事情在发生——而且乍看之下不是所有都与任务相关。伦敦大学学院的Kenneth Harris率领的团队和Churchland的团队在去年发表了具有里程碑意义的论文，表明当一只小鼠在做任务时，整个大脑的神经元都会激活，但一大部分激活都与任务本身无关[8,9]。一些活动反而与动物的烦躁动作相关。但约有2/3的无关任务的激活不与任何运动或动作相关。“一部分可能与脑内部状态有关。”Harris说。
大脑好忙
许多神经科学家表示，全脑实验产出的大量数据恰巧也是这个领域的最大瓶颈。幸好，筛选这些测量数据的技术开发工作已经出现了起色。一种颇受欢迎的技术利用隐马尔可夫模型(HMM)这种数学方法，来预测一个系统在特定时间下在不同状态间切换的概率。
普林斯顿大学的Mala Murthy和她的同事利用隐马尔可夫模型发现雄性果蝇大脑内的节律[10]，这些节律会影响它们在讨好雌性时对求爱歌模式的选择。雄性果蝇在每个时刻选择的是断音节奏还是长时间哼鸣，这大体上(不是全部)取决于雌性对它们的回应。Murthy的团队发现，三种不同的脑内部状态也会影响雄性对求爱歌的选择。他们将果蝇的这些状态称为亲密(Close)、追求(Chasing)、无所谓(Whatever)。
无论研究人员选择的模式生物(蠕虫、鱼、果蝇或小鼠)的复杂性如何，整个大脑如何协调内部状态的问题“是所有人都开始思考的问题”，麻省理工学院的Steve Flavell说。2013年，Flavell和同事发现，即使是只有302个神经元的秀丽隐杆线虫的大脑，也表现出能驱动特定行为的脑内部状态的特性，包括两组持续激活的神经元控制线虫是在局部活动还是有目的地移动[11]。他的团队后来又鉴定出了参与这两种状态和在两种状态中切换的整个环路[12]。
除了对基础生物学的疑问之外，研究人员也注重了解特定状态在大脑中的表现有哪些临床益处。例如，有些研究人员利用啮齿类动物模型研究疼痛，他们依赖一类标准测试，比如观察大鼠何时将爪子从热盘子上拿开。“这个动作反映了疼痛的保护性作用，但不算是对疼痛的实际感知。”波士顿儿童医院神经学家Clifford Woolf说。因此这不是一个研究疼痛的好模型，他说，因为有一个步骤从实际感觉中移除了。他发起了一项研究计划，尝试直接阅读那些指示痛觉内部状态的脑信号，这种读出或许比等待动物反应更及时，也更有针对性。“我绝对相信我们正处在科学历史上屈指可数的罕见阶段之一，我们做研究的方式即将被颠覆。”他说。
Li说，在这个全新的领域里，即使是基础问题也是众说纷纭，“在这个阶段，我们依然在尝试理解研究问题是什么。”
参考文献：
1. Marques, J. C., Li, M., Schaak, D., Robson, D. N. & Li, J. M. Nature 577, 239–243 (2020).
2. Jung, Y. et al. Neuron 105, 322–333 (2020).
3. Anderson, D. J. & Adolphs, R. Cell 157, 187–200 (2014).
4. Jun, J. J. et al. Nature 551, 232–236 (2017).
5. Kennedy, A., Kunwar, P. S., Li, L., Wagenaar, D. & Anderson, D. J. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/805317 (2020).
6. Gründemann, J. et al. Science 364, eaav8736 (2019).
7. Allen, W. E. et al. Science 364, eaav3932 (2019).
8. Stringer, C. et al. Science 364, eaav7893 (2019).
9. Musall, S., Kaufman, M. T., Juavinett, A. L., Gluf, S. & Churchland, A. K. Nature Neurosci. 22, 1677–1686 (2019).
10. Calhoun, A. J., Pillow, J. W. & Murthy, M. Nature Neurosci. 22, 2040–2049 (2019).
11. Flavell, S. W. et al. Cell 154, 1023–1035 (2013).
12. Cermak, N. et al. eLife 9, e57093 (2020).
原文以Inside the mind of an animal为标题发表在2020年8月1日的《自然》新闻特写版块
? nature
doi: 10.1038/d41586-020-02337-x
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