咖啡易融：大腦如何產生情緒和欲望？

神經科學家正在檢查大量數據，希望從中了解大腦是如何產生情緒和其他內部狀態的，比如攻擊性和欲望。本文來自微信公眾號：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Alison Abbott，題圖來自：視覺中國

兩年前的一天，Jennifer Li和Drew Robson正在查閱一項斑馬魚大腦實驗產生的幾TB數據，突然發現了一些似乎有著「超能力」的細胞。

這兩位神經科學家原計劃繪製斑馬魚幼魚覓食時的腦活動圖譜，看看神經對話是如何發生變化的。他們之前在哈佛大學建立了一個技術平臺，這是他們首次對其進行正式測試。當幼魚（只有一根眼睫毛大小）在一個直徑35毫米的注水培養皿中自由遊動，並享用它們的微觀獵物時，這個平臺可以看到幼魚腦內的每個細胞。

在堆積如山的數據中，兩位科學家發現有一些神經元能預知幼魚接下來什麼時候會捕捉併吞咽它的食物，其中部分神經元甚至在幼魚盯上獵物前的好幾秒就激活了[1]。

奇怪的不止這些。通過仔細研讀數據，他們還發現這些「超能力」細胞可以保持異常久的激活時間——不像大部分神經元通常只激活幾秒，它們能激活好幾分鐘。事實上，差不多能在幼魚每次的捕食過程中都保持激活。

「好詭異，」Li說，「這一切都說不通。」

於是，Li和Robson開始查閱文獻，並慢慢意識到，這些細胞一定是在設定一個整體的「腦狀態」——一種長時間的腦活動模式，可以讓幼魚準備好捕捉眼前的食物。兩人發現，在過去幾年裡，其他研究人員也用各種方法和不同物種，發現了會改變動物行為的腦內部狀態（internal brain state）——即使它們的外部環境從未發生改變。

以Li和Robson為例，一些研究人員在分析他們的全腦數據時，也獲得了同樣的意外發現。其他研究人員提出了假說，認為必定存在編碼腦內部狀態的神經元，並在已經研究透徹的不同腦區中積極搜尋這些神經元。今年早些時候[2]，加州理工學院（Caltech）的神經生物學家David Anderson和同事確定了一種腦內部狀態——由一個很小的神經元網絡表示——這種內部狀態能讓果蠅準備好做出求偶或戰鬥的行為。

希望了解大腦編碼語言的神經科學家，一般研究的是大腦的細胞網絡是如何對感覺信息做出反應並產生行為的，比如運動或語言。但他們無法從細節上了解兩者之間的重要信息——能揭示動物情緒或欲望模式的大量神經元電活動，以及哪些活動能幫助調整動物的行為。即使就在幾年前，測量腦內部狀態背後的特定網絡的活動也是不可能的。

一系列新技術的出現開始讓不可能成為可能。這些技術讓科學家能以前所未有的細節追蹤腦內電活動，在毫秒尺度上量化動物的自發行為，並在這些實驗產生的海量數據中找出模式。這些模式可能反映了大腦無數內部狀態的特徵。現在的挑戰在於，這些狀態代表了什麼。

三組神經元控制斑馬魚幼魚靜止不動（左）、四處探索（中）以及在這兩種狀態間切換（右）。來源：J. C. Marques et al./Nature

一些神經科學家敢於使用這些技術研究腦內部狀態的一個強大分類：情緒。其他人則將技術用於研究動機等狀態，或是口渴等存在性驅動。研究人員甚至在他們的數據中發現了用現有詞彙無法形容的狀態特徵。

目前關於腦內部狀態的少量論文正受到越來越多的關注。這些研究或具備了潛在的臨床應用價值。「精神疾病本質上是內部狀態受到破壞，」美國國立精神衛生研究所主任Joshua Gordon說，「它們需要被理解。」

大腦框架

任何動物的大腦都隨時隨地接受著周圍環境信息的轟炸，這些信息來自眼睛、耳朵、鼻子或皮膚。所有這些信息先由大腦的感覺皮質處理，之後的處理步驟更加神秘，信息會經過多個腦內部狀態過濾，這些內部狀態代表了動物不斷變化的情緒和需求。最終，運動皮質會產生符合當時情況的運動——比如趕走一隻飛來飛去的蒼蠅，或是靠近一頓大餐。內部狀態還能全部在大腦內產生，無需藉助於感覺輸入和行為輸出：想像一下做白日夢，或是腦海裡回想一天中發生過的事。

對於研究大腦網絡的神經科學家來說，過去幾年裡對內部狀態性質的逐步了解，正在改變他們對動物行為的看法。「我們過去認為動物是某種意義上的刺激—反應機器，」冷泉港實驗室神經科學家Anne Churchland說，「現在我們認識到，它們腦內會發生各種各樣非常有趣的活動，這會改變對感覺輸入的處理方式，從而改變動物的行為輸出。」

闡明這個有意思的中間地帶一直是Anderson的目標。6年前，他決定為代表情緒的腦內部狀態研究建立一個理論框架。Anderson厭倦了一些心理學家的看法，他們認為因為動物無法用語言表達感受，這種感受就是無法研究的。Anderson和他在加州理工學院的同事Ralph Adolphs共同提出並發表了一種假說[3]，指出了與腦內部狀態相關的神經環路應具備的特徵。

最重要的是，他們認為腦內部狀態的持續時間應當超過原始刺激的持續時間。因此，他說這種狀態背後的神經環路的一個關鍵特徵就是它的持久性（persistence）。「如果你在山中徒步時忽然看到一條蛇，你可能會嚇得跳起來，」Anderson說，「十分鐘後，你大腦的內部恐懼狀態依然活躍，你在路上看到一根棍子後，可能還會跳起來。」

內部狀態的其他特徵還應包括可概化性（generalizability），指不同刺激應能激起同一種狀態；可擴展性（scalability），意味著不同刺激可以產生不同強度的狀態。這篇論文引起了巨大反響。Li說在她和Robson嘗試 搞清楚他們的超能力細胞時，這篇論文讓他們「深受啟發」。

西雅圖艾倫研究所（Allen Institute）的研究人員利用Neuropixels探針同時記錄幾百個神經元的活動。來源：艾倫研究所

Anderson和Adolphs的論文發表於2014年，當時正好湧現出很多神經技術，讓必須開展的實驗得以開展。研究人員已經可以同時記錄大量單個神經元了，自那以後，相關技術得到了改進和擴展，可以進一步研究之前無從入手的活動。

這些技術中的佼佼者是Neuropixels探針，雖然只有10毫米長，卻能直接記錄不同腦區成百上千個神經元的活動[4]。此外，特殊的成像技術可以揭示大腦中多達幾萬個神經元正在活躍的位置。比如在鈣離子成像中，經過遺傳工程改造的動物，其細胞會表達一種能檢測到鈣離子的分子——它們在神經元放電時湧入其內，這個分子便會發出螢光。

新的自動行為監測器可以連續幾小時對自由活動的動物進行錄像，並對毫秒元素的每一個動作進行分析。再將這些元素與神經記錄對應，就能把每個時刻的腦活動與特定動作對應起來。

神經科學家還藉助機器學習、人工智慧和最新數學工具的發展勢頭，對於這些技術在實驗中動輒產生的幾GB到幾TB數據進行分析，挖掘出能體現腦內部狀態的神經激活模式。

準備行動

第一次研究內部狀態時，Anderson決定以他的實驗室對果蠅的研究為基礎，果蠅的微型大腦含有10萬個左右的神經元。對許多動物來說，有雌性在場時，雄性便會相互攻擊，Anderson稱這個已經確定的行為是「特洛伊的海倫效應」（Helen of Troy effect），這種效應來自一則希臘神話，說的是一名女性的追求者們為她發起了一場戰爭。果蠅也絕非例外：間接證據表明，面對雌性的雄性會發出求愛歌，還會對其他雄性表現出攻擊行為，持續時間長達數分鐘。「這在果蠅短暫的生命中算是很長時間了。」他說。

Anderson決定搜尋與這種持續的求偶和攻擊行為相關的神經活動，這些行為是由神經元 P1引發的，P1神經元存在於控制這類社會行為的腦區中。這些神經元放電速度很快，以至於它們本身是無法維持內部狀態的。利用成像技術與自動化行為分析，Anderson的團隊在其他腦區中也鑑定出了因為P1激活而具有活性的細胞。

實驗發現，這些「跟隨細胞」（follower cell）中的大部分會快速在開和關的狀態之間切換，但pCd神經元簇的活性卻能維持好多分鐘。當研究人員在這些細胞中插入一個光敏感蛋白，並用雷射閃光來關閉它們後，P1激活對行為的持續作用消失了。當研究人員繞過P1直接激活它們時，什麼都沒發生：pCd神經元需要P1來觸發，一旦引發行為，它們會比最初的刺激維持更長的時間[2]。如果Anderson要給這種狀態取一個名字，他可能會叫它「準備好進入這些社會行為」（ready-to-engage-in-these-social-behaviours）的狀態，他說。

他的團隊用小鼠做了一個類似的實驗[5]，小鼠的大腦更複雜，約有1億個神經元。研究人員在下丘腦發現了一組很像pCd神經元的特殊神經元，這些神經元發生了與先天驅動——這次是恐懼——相關的持續性激活。研究人員讓一隻大鼠靠近實驗小鼠幾秒鐘，小鼠會緊貼牆壁幾分鐘，做出防禦性反應，而這組神經元在整個過程中都保持激活狀態。當團隊再次用光來開關這些神經元時，緊貼牆壁的行為也接連出現和消失，甚至在沒有大鼠的情況下也是如此。

即使是處於某項任務中，這隻小鼠的大部分腦活動也都是為了抽動鬍鬚。來源：C. Stringer et al./Science

如今，神經科學家發現不同腦區的其他神經元群也具有持久的活性。瑞士弗雷德裡希·米歇爾生物醫學研究所（Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research）的Andreas Lüthi和巴塞爾大學（University of Basel）的Jan Gründemann利用鈣離子成像技術，在小鼠的杏仁核中進行搜尋——已知杏仁核對於一系列情緒和行為的調節非常重要。團隊發現，當小鼠在兩種不同的行為之間切換——探索環境和僵住等防禦性行為，此時兩個不同的神經元群會出現持續但相反的激活狀態[6]。

Gründemann承認杏仁核細胞不太可能單獨發生作用，整個大腦的細胞都參與維持了這種探索或防禦狀態。「我確信這只是更大的全腦網絡中的一個節點。」他說。

整體圖景

雖然許多研究人員都在特定腦區搜尋過具有持久活性的神經元，但Li和Robson幾乎是在純屬巧合的情況下發現了這些有持續活性的神經元。去年9月，他們前往德國馬克斯·普朗克生物控制論研究所共同管理一個實驗室。

他們的斑馬魚幼魚比果蠅簡單一點，只有8萬個左右的腦細胞。由於這些幼魚都是透明的，它們幾乎全部的神經元活動都可以用鈣離子成像技術進行同步監測。

兩人發明了一種方法，可以在斑馬魚幼魚在培養皿中自由遊動時，同步追蹤它們的運動和神經活動。他們部署了一種螢光顯微鏡追蹤系統，可以在成像平臺上移動，對幼魚進行不間斷觀察，同時捕捉幼魚移動過程中每個神經元的每次放電。這個系統還能給它們錄像——拍攝時長一般為90分鐘，可產生4.5TB的數據——實驗人員可以將每秒的行動與每秒的神經元活動對應起來。

幼魚看起來可能不像小鼠，甚至不像果蠅那樣有豐富的內部生命，但它們至少要在一生中做出一個實打實的行為選擇——是在周圍獵食，還是遊到未知水域尋找新的食物來源。Li和Robson在觀察幼魚做出選擇時，發現了三組神經元：一組在幼魚在周圍獵食時持續活躍，另一組在幼魚探索時持續活躍，第三組在幼魚切換狀態時會短暫放電[1]。出乎意料的是，飢餓貌似不會影響這些狀態，這些狀態每幾分鐘就會自動切換——「就像我們的睡眠—覺醒狀態會自動切換一樣，只不過它們的切換間隔要短得多。」Robson說。

有些神經科學家研究的是更複雜的生物體，他們還無法一次性監測整個大腦，但已經能發現腦內部狀態的跡象了，這些狀態在大腦中有著廣泛分布的網絡。他們在小鼠中開展了有技術難度的實驗，利用鈣離子成像技術記錄了整個大腦裡成千上萬神經元的活動，還利用單個Neuropixels電極記錄了上百個神經元的活動，其中好幾個電極都能一次性插入。

在去年發表的一項研究中[7]，史丹福大學的神經科學家Karl Deisseroth及其團隊利用Neuropixels探針記錄了口渴小鼠舔水喝時，34個皮質和皮質下腦區的2.4萬個神經元的活動。研究人員從與舔舐行為相關的信號中，梳理出了與口渴腦狀態相關的信號。他們發現這些指示狀態的神經元在整個大腦都被激活了，而不僅是口渴神經元所在的下丘腦。

通過這些記錄技術，神經科學家發現動物執行任務的表面之下有許多事情在發生——而且乍看之下不是所有都與任務相關。倫敦大學學院的Kenneth Harris率領的團隊和Churchland的團隊在去年發表了具有裡程碑意義的論文，表明當一隻小鼠在做任務時，整個大腦的神經元都會激活，但一大部分激活都與任務本身無關[8,9]。一些活動反而與動物的煩躁動作相關。但約有2/3的無關任務的激活不與任何運動或動作相關。「一部分可能與腦內部狀態有關。」Harris說。

大腦好忙

許多神經科學家表示，全腦實驗產出的大量數據恰巧也是這個領域的最大瓶頸。幸好，篩選這些測量數據的技術開發工作已經出現了起色。一種頗受歡迎的技術利用隱馬爾可夫模型（HMM）這種數學方法，來預測一個系統在特定時間下在不同狀態間切換的概率。

普林斯頓大學的Mala Murthy和她的同事利用隱馬爾可夫模型發現雄性果蠅大腦內的節律[10]，這些節律會影響它們在討好雌性時對求愛歌模式的選擇。雄性果蠅在每個時刻選擇的是斷音節奏還是長時間哼鳴，這大體上（不是全部）取決於雌性對它們的回應。Murthy的團隊發現，三種不同的腦內部狀態也會影響雄性對求愛歌的選擇。他們將果蠅的這些狀態稱為親密（Close）、追求（Chasing）、無所謂（Whatever）。

無論研究人員選擇的模式生物（蠕蟲、魚、果蠅或小鼠）的複雜性如何，整個大腦如何協調內部狀態的問題「是所有人都開始思考的問題」，麻省理工學院的Steve Flavell說。2013年，Flavell和同事發現，即使是只有302個神經元的秀麗隱杆線蟲的大腦，也表現出能驅動特定行為的腦內部狀態的特性，包括兩組持續激活的神經元控制線蟲是在局部活動還是有目的地移動[11]。他的團隊後來又鑑定出了參與這兩種狀態和在兩種狀態中切換的整個環路[12]。

除了對基礎生物學的疑問之外，研究人員也注重了解特定狀態在大腦中的表現有哪些臨床益處。例如，有些研究人員利用嚙齒類動物模型研究疼痛，他們依賴一類標準測試，比如觀察大鼠何時將爪子從熱盤子上拿開。「這個動作反映了疼痛的保護性作用，但不算是對疼痛的實際感知。」波士頓兒童醫院神經學家Clifford Woolf說。因此這不是一個研究疼痛的好模型，他說，因為有一個步驟從實際感覺中移除了。他發起了一項研究計劃，嘗試直接閱讀那些指示痛覺內部狀態的腦信號，這種讀出或許比等待動物反應更及時，也更有針對性。「我絕對相信我們正處在科學歷史上屈指可數的罕見階段之一，我們做研究的方式即將被顛覆。」他說。

Li說，在這個全新的領域裡，即使是基礎問題也是眾說紛紜，「在這個階段，我們依然在嘗試理解研究問題是什麼。」

參考文獻：

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為標題發表在2020年8月1日的《自然》新聞特寫版塊

© nature doi: 10.1038/d41586-020-02337-x

本文來自微信公眾號：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Alison Abbott，由施普林格·自然上海辦公室負責翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。