科學好故事｜窺探大腦內部：我們是如何產生情緒和欲望的

　　來源：Nature

　　撰寫：艾利森·阿博特（Alison Abbott）

　　翻譯：任天

　　兩年前，哈佛大學的詹妮弗·李（Jennifer Li）和德魯·羅布森（Drew Robson）在一項研究斑馬魚大腦的實驗中獲取了大量的數據，通過梳理，他們偶然間發現了一些似乎具有特異功能的細胞。

　　這兩位神經科學家計劃通過繪製斑馬魚幼體覓食期間的大腦活動圖像，觀察神經顫振如何變化。他們在哈佛大學建立了一個技術平臺，這項實驗正是第一次重要的測試。在這個平臺上，他們可以觀察到這些幼體——大小和人的眼睫毛差不多——大腦中的每個細胞，它們可以在直徑為35毫米的培養皿中自由地遊動，以微小的獵物為食。

　　在如山的數據中，研究人員發現了一些神經元，可以預測幼體下一次會在什麼時候捕獲並吞下食物。其中一些神經元甚至在幼體盯上獵物之前的幾秒鐘就已經被激活了。

大腦中的神經元如何使我們產生情緒？

　　還有一件很奇怪的事。研究人員對這些數據進行了更詳細的研究後，發現「精神」（psychic）細胞的活躍時間異乎尋常地長——不像大多數神經元通常只活躍幾秒鐘，這些細胞會活躍長達數分鐘。實際上，這也差不多是斑馬魚幼體捕食的持續時間。

　　「這太可怕了，」詹妮弗·李說，「所有這些都說不通。」她和羅布森開始查閱文獻，漸漸意識到這些細胞應該是在設定一種整體的「大腦狀態」，即一種持續的大腦活動模式，使幼體對眼前的食物做好準備。他們還了解到，在過去幾年裡，其他科學家也利用各種方法和不同物種發現了改變動物行為的大腦內部狀態，即使外部環境沒有任何變化。

　　詹妮弗·李和羅布森是在分析大腦數據時偶然取得這一發現的，但還有另一群人是先提出，假設編碼大腦內部狀態的神經元一定存在，之後積極地在獨立的、得到充分研究的大腦區域中尋找它們。例如，在今年早些時候，加州理工學院的神經生物學家大衛·安德森（David Anderson）和同事們發現了大腦中一種以一個小型神經元網絡為代表的內部狀態。這種狀態可以使果蠅為求愛或戰鬥行為做好準備。

　　神經科學家希望能夠了解大腦的編碼語言。一般來說，傳統的做法是研究大腦的細胞網絡如何對感覺信息做出反應，以及如何產生行為，比如運動或說話等。然而，他們無法詳細觀察這兩者之間重要的中間環節——大量的神經元活動。這些活動隱藏了代表動物情緒或欲望的模式，而正是這些模式幫助動物校正自己的行為。測量構成大腦內部狀態的基礎是一些特定的細胞網絡，就在幾年前，測量這些網絡的活動還很難實現。

　　但近年來隨著大量新技術的應用，情況已經開始改變。新的方法使科學家能以前所未有的細節追蹤大腦中的電活動，以毫秒為單位來量化動物的自然行為，並在這些實驗產生的海量數據中找到模式。這些模式可能是大腦可能採取的無數內部狀態的標誌。現在，研究人員面臨的挑戰就是確定這些狀態意味著什麼。

三組神經元分別控制著斑馬魚幼體呆在原地（左）、去別處探索（中）以及在這兩種狀態之間切換（右）

　　一些神經科學家正在大膽地運用新技術來探測一類強大的大腦內部狀態：情緒。另一些研究者則將目光投向了「動機」等狀態，或「渴望」等存在驅力。有的研究人員甚至在還沒被學界冠以專有名稱的數據中發現了大腦內部狀態的標誌。

　　目前關於大腦內部狀態的研究論文越來越多。這些研究甚至可能具有潛在的臨床應用價值。美國國家心理衛生研究院的負責人喬舒亞•戈登（Joshua Gordon）表示：「精神疾病本質上是對大腦內部狀態的破壞。我們需要理解這些狀態。」

　　大腦內部狀態的框架

　　任何動物的大腦都在不斷地受到來自感覺器官（如眼睛、耳朵、鼻子或皮膚）的環境信息轟炸。最初，這些信息全部都是在大腦的感覺皮層中處理的。接下來就是更神秘的處理步驟，信息會在這些步驟中通過多種大腦內部狀態得到過濾，而這些狀態就代表了生物不斷變化的情緒和需求。這將最終導致運動皮層產生與環境相適應的運動行為，比如拍打一隻造成瘙癢的蒼蠅，或是走向美味的食物。與此同時，內部狀態也完全可以在大腦中產生，不需要感官輸入，也不需要行為輸出：想像一下做白日夢的情景，或者在腦海中重演當天發生的事情。

　　在過去幾年中，對大腦內部狀態本質的洞察正在改變科學家對動物行為的看法，尤其是研究大腦網絡的神經科學家。「過去我們認為動物就是某種對刺激產生反應的機器，」紐約冷泉港實驗室的神經科學家安妮·邱吉蘭德（Anne Churchland）說，「現在我們開始意識到，它們的大腦中會產生各種各樣有趣的東西，而這些東西改變了感官輸入信息的處理方式，從而改變了動物的行為輸出。」

　　如何研究這一有趣的中間地帶一直是大衛·安德森關注的焦點。六年前，他決定創建一個理論框架來研究代表情緒的大腦內部狀態。他對一些心理學家的觀點感到厭煩，這些心理學家認為，由於動物無法用語言表達它們的感覺，因此這些感覺根本無法被研究。安德森和加州理工學院的同事拉爾夫·阿道夫斯（Ralph Adolphs）共同發表了一項假說，對大腦內部狀態相關神經迴路應有的特徵進行了闡述。

　　他們認為，最重要的是，大腦內部狀態應當比觸發它的原始刺激持續更久。因此，支撐這種狀態的神經迴路的關鍵特徵之一就是持久性。「如果你在山中徒步旅行時看到一條蛇，當時可能會嚇得跳起來，」安德森說，「十分鐘後，你大腦內部的恐懼狀態仍然活躍，因此當你又看到路上有根棍子時，你可能會再次跳起來。」

　　大腦內部狀態的其他特徵應該還包括普遍性（即不同的刺激應該能夠導致相同的狀態）和可伸縮性（即不同的刺激可以產生不同強度的狀態）。安德森等人的這篇論文變得很有影響力。詹妮弗·李表示，在她和羅布森試圖理解「精神細胞」的過程中，這篇論文「很有啟發」。

在華盛頓州西雅圖的艾倫腦科學研究所，研究人員使用神經像素探針同時記錄了數百個神經元的活動

　　安德森和阿道夫斯在2014年發表了他們的論文，當時大量的神經學技術開始應用，使必要的實驗變得可行。研究人員可以同時記錄大量單個神經元的活動，而且自那時起，相關技術得到了顯著的改進和擴展，使得科學家能夠分析以前難以觀察的活動。

　　其中最先進的技術是神經像素探針（Neuropixels probe），長度僅有10毫米，可以直接記錄大腦不同區域數百個神經元的活動。此外，特殊的成像技術可以呈現大腦中成千上萬活躍的單個神經元。例如，在鈣成像技術中，經過基因工程改造的動物會在細胞中表達一種能檢測鈣離子的分子，當神經元放電，即鈣離子湧入時，神經元就會發出螢光。

　　研究人員還可以利用新的自動行為監視器，在數小時內拍攝動物自由行為的視頻，並以毫秒為單位分析每一個動作。然後，這些單位動作可以與神經記錄進行校準，將每時每刻的大腦活動與特定的動作相匹配。

　　如今，神經科學家們已經利用機器學習、人工智慧和不斷湧現的數學工具，來理解這些新技術實驗中產生的海量數據，並得出可能代表大腦內部狀態的神經激活模式。

　　行為的準備

　　在關於大腦內部狀態的第一次研究中，安德森決定以果蠅的攻擊性作為研究基礎，此前他的實驗室就做過這方面的工作。果蠅具有一個包含大約10萬個神經元的微型大腦。在許多動物中，雄性會在雌性在場的情況下開始相互爭鬥，安德森將這種行為稱為「海倫效應」（Helen of Troy effect），源於希臘神話中一位女性的追求者之間爆發戰爭的故事。果蠅也不例外：間接證據表明，與雌性接觸會導致雄性發出求偶聲，並對其他雄性做出長達數分鐘的攻擊行為。「在果蠅短暫的生命中，這是很長的一段時間，」安德森說道。

　　他決定尋找與這種持續求偶和戰鬥行為相關的神經活動。研究表明，這些行為是由被稱為P1的神經元發起的，而P1所處的大腦區域就控制著諸如此類的社會行為。這些神經元放電的速度非常快，因此它們本身無法維持這種大腦內部狀態。通過使用成像技術和自動化行為分析，安德森的團隊識別出在大腦其他區域中，由於P1激活而變得活躍的細胞。

　　這些細胞被稱為「跟隨細胞」，大多數會快速地開啟和關閉，但一群名為「pCd」的神經元卻能在數分鐘內保持活躍。當研究人員將一種光敏蛋白插入這些細胞，並用雷射的閃光使它們關閉時，P1激活對行為的持續影響消失了。當他們繞過P1直接激活pCd時，什麼也沒有發生。因此，pCd神經元需要P1作為觸發器，一旦啟動，它們保持活躍的時間會比最初的刺激長得多。安德森表示，如果必須給這種狀態起個名字的話，他可能會稱之為「加入社交行為準備」狀態。

　　安德森的團隊在小鼠身上做了一個類似的實驗，小鼠擁有更複雜的大腦，包含約1億個神經元。研究人員在小鼠下丘腦發現了一組特殊的神經元，就像pCd神經元一樣，會由於某種先天驅力——比如恐懼——而持續被激活。當科學家把一隻大鼠放在實驗用小鼠旁邊，只需幾秒鐘，小鼠就會做出防禦性的反應，緊貼牆壁好幾分鐘；在這段時間內，這組神經元一直保持活躍。當研究小組再次使用光開關這些神經元時，即使沒有大鼠在場，這種「抱牆」行為也會一前一後地出現和消失。

即使在執行任務時，這隻小鼠的大部分大腦活動都只是為了抽動它的鬍鬚

　　目前，神經科學家不斷發現在大腦不同區域具有持續活動的其他神經元組。瑞士巴塞爾弗裡德裡希·米舍爾生物醫學研究所的安德裡亞斯·呂蒂（Andreas Luthi）和巴塞爾大學的揚·格倫德曼（Jan Grundemann）使用鈣成像技術研究了小鼠的杏仁核。杏仁核是調節一系列情緒和行為的中心。研究小組發現，當小鼠在兩種截然不同的行為——探索環境和表現出防禦行為（如僵住不動）——之間切換時，兩組不同的神經元會表現出持續但相反的活躍狀態。

　　格倫德曼承認，杏仁核細胞不太可能獨立工作，大腦各個區域的細胞都參與並維持了探索或防禦狀態。他說：「我確信這只是更大的大腦網絡中的一個節點。」

　　整體圖景

　　在許多研究人員在特定的大腦區域尋找持續活躍的神經元的時候，詹妮弗·李和羅布森偶然間發現了斑馬魚幼體大腦中同樣持續活躍的神經元。去年9月，這兩位研究者移居德國，在位於圖賓根的馬克斯·普朗克生物控制學研究所共同運營一個實驗室。

　　他們研究的斑馬魚幼體還沒有果蠅複雜，只有大約8萬個腦細胞。這些小魚是透明的，因此它們幾乎所有神經元的活動都可以同時通過鈣成像來監測。

　　兩位研究者開發了一種方法，可以同時跟蹤幼魚在培養皿中自由遊動時的運動和神經活動。他們在成像平臺上部署了螢光顯微鏡跟蹤系統，使幼體保持在恆定視野內，並捕捉每一個神經元在幼體移動時的每一次閃光。該系統還對幼體進行拍攝——通常拍攝時長為90分鐘，生成4.5TB的數據——使實驗者能夠逐秒地將它們的運動與神經元活躍程度結合起來。

　　魚類幼體可能沒有小鼠、甚至果蠅那樣豐富的大腦內部狀態，但它們在一生中至少會表現出一種穩定的行為選擇：是「在局部獵食」，還是「遊到陌生的水域尋找新的食物來源」。當研究人員觀察幼魚做出選擇時，他們發現了三組神經元：一組在局部捕獵時持續活躍；另一組在探索時保持活躍；第三組則在幼魚切換狀態時短暫閃現。令人驚訝的是，這些狀態每隔幾分鐘就會自動切換一次，而飢餓似乎並沒有對此產生影響。「就像我們自己的睡眠-覺醒狀態會自動切換一樣，只不過這種切換的時間尺度要短得多，」羅布森說道。

　　研究更複雜生物的神經科學家無法同時監控整個大腦，但可以通過大腦中廣泛分布的網絡來尋找大腦內部狀態的線索。在技術上頗具挑戰性的小鼠實驗中，神經科學家用鈣成像技術來記錄大腦中數千個神經元的活動，用單個神經像素電極來記錄數百個神經元的活動，有時幾個電極可以同時插入。

　　在2019年發表的一項研究中，史丹福大學的神經學家卡爾·戴瑟羅斯（Karl Deisseroth）和他的團隊使用神經像素探針，記錄了口渴的小鼠在舔水時，34個皮層和皮層下大腦區域中24000個神經元的活動。研究人員能夠從與舔舐行為有關的信號中梳理出與大腦口渴狀態相關的信號。他們發現，這些標誌狀態的神經元在整個大腦中都被激活了，而不僅僅是在下丘腦——調節口渴的神經元所在的位置。

　　利用這些廣泛的記錄技術，神經科學家逐漸發現，當動物在執行一項任務時，其大腦表面下隱藏著許多過程。而且乍看之下，並不是所有的過程都相關。在2019年的一篇裡程碑式的論文中，倫敦大學學院的肯尼斯·哈裡斯（Kenneth Harris）與邱吉蘭德領導的團隊發現，當一隻小鼠在執行一項任務時，其整個大腦的神經元都被激活，但大部分的激活與任務完全無關。相反，一些活躍的神經元與動物的不安運動有關；而在與任務無關的活躍神經元中，有大約三分之二與任何運動或動作都不相符。「部分原因可能與大腦內部狀態有關，」哈裡斯說道。

　　忙碌的大腦

　　許多神經科學家認為，全腦實驗產生的海量數據是該領域最大的瓶頸。不過，他們在開發篩選大量測量數據的技術方面也取得了進展。一種流行的方法是使用隱馬爾可夫模型（hidden Markov model，簡稱HMM）來預測系統在特定時間在不同狀態之間切換的概率。

　　普林斯頓大學的瑪拉·默蒂（Mala Murthy）和她的同事利用隱馬爾可夫模型發現了雄性果蠅大腦中的節律，這種節律會影響它們在求愛時選擇的鳴聲模式。雄性果蠅是選擇斷斷續續、有節拍的「歌聲」，還是長時間的嗡嗡聲，很大程度上取決於雌性果蠅對它們的反應，但不是全部。默蒂的研究小組發現，三種不同的大腦內部狀態也會影響雄性的「歌聲」選擇。他們將果蠅的這三種狀態戲稱為「親近」、「追逐」和「無所謂」。

　　麻省理工學院的史蒂夫·弗拉維爾（Steve Flavell）表示，無論研究者採用的生物模型有多複雜——蠕蟲、魚、果蠅抑或是小鼠——整個大腦如何協調內部狀態的問題「正是我們需要開始思考的」。2013年，弗拉維爾和同事們發現，即使是只有302個神經元的秀麗隱杆線蟲的大腦，也表現出驅動特定行為的大腦內部狀態的特徵，包括兩組持續活躍的神經元，它們控制著線蟲是逗留在局部，還是有目的地移動。此後，他的研究小組又確定了涉及這兩種狀態並在二者之間轉換的完整神經迴路。

　　除了基礎生物學的問題，研究人員還著眼於理解大腦內部狀態可能帶來的臨床益處。例如，在利用齧齒動物模型研究疼痛時，研究者往往依賴標準的試驗方法，比如觀察一隻大鼠何時將爪子從熱盤子中舉起。麻薩諸塞州波士頓兒童醫院的神經學家克利福德·伍爾夫（Clifford Woolf）說：「這種運動反映了對疼痛的保護作用，但並不是對疼痛的實際感知。」因此他認為，這是一個糟糕的疼痛模型，因為距離實際的感覺還差了一步。伍爾夫已經啟動了一個研究項目，試圖直接讀懂大腦中表明疼痛感知內部狀態的信號，這可能比等待動物的反應更及時、更具體。他說：「我非常樂觀地認為，我們正處於科學上一個罕見的階段，這將是我們做事方式的一個轉變。」

　　詹妮弗·李表示，在這個新領域，即使最基本的東西都有待爭取，「在這個階段，我們仍在試圖理解問題是什麼」。