关于交配和攻击性
或许会被称为“做爱,而非作战”的行为神经科学分支几年前开始在加利福尼亚成形。当时,加州理工学院戴维·安德森实验室的研究人员决定对攻击性的生物学原理展开研究。他们精心策划了小鼠版本的《决战之夜》:他们刺激雄性小鼠对手之间展开争论,接着在一番艰苦的分子检测工作后,把注意力集中在了对下丘脑细胞的初步认知上,这个区域的细胞在小鼠开始打斗时变得很活跃。
下丘脑是大脑深处一个小小的结构,除了其他功能外,它还以本能的行为反应协调感觉输入——例如对手的出现。
回溯到20世纪20年代,苏黎世大学的瓦尔特•赫斯曾证明,如果将电极插入一只猫的大脑,用电刺激下丘脑的某些区域,可以让一只本来高兴地发出咕噜声的猫,突然发出让人毛骨悚然且具有攻击性的模糊声音。几个有趣的假说试图解释这种现象发生的过程及原因,但都无法得到验证。
和脑科学中的许多基本问题一样,在过去一个世纪中,攻击性的秘密并没有被揭开——它仅仅是触碰到了常见的经验主义障碍。我们有很好的问题,但却没有技术来解答它们。
直至2010年,安德森加州理工学院的实验室才开始梳理好斗小鼠攻击性的基本机制和神经线路。通过使用一系列让他们能够集中观察大脑区域内单个细胞丛的新技术,他们意外地发现了一个让人震惊的解剖学现象:看起来和攻击性行为有关联的微小区域下丘脑和与交配冲动相关的区域是交错相连的。结果发现,那个小小的细胞领地——学名是腹内侧下丘脑——原来是紧密相连的大约5千个神经元的集合体,其中一些神经元似乎和交配行为有关,另一些和战斗行为相关。
“没有类神经元这种东西。”安德森说,据他估计,大脑中可能有1万种神经元之多。甚至大脑的非常微小的区域都包含不同种类的神经元,且这些神经元“常常以不同的、相反的方向影响行为。”
比如下丘脑,一些神经元似乎在攻击性行为时变活跃,一些在交配行为时变活跃,而一个小小的部分——约20%——在战斗和交配时均变活跃。这是一个很有刺激性的发现,但也是老式神经科学的一个遗留问题。活跃并不是造成该行为,仅仅是相互关联。科学家们怎样才能确切地知道是什么触发了该行为呢?他们能否仅仅通过刺激小鼠下丘脑内的几个细胞来挑起它的打斗呢?
十年前,这在技术上是不可能的。然而,在过去的十年里,神经科学因一项被称为光遗传学的卓越新技术而发生了转变,该技术由斯坦福大学的科学家们发明,第一次是在2005年描述的。
加州理工学院的研究人员将一个转基因的光敏基因插入一只活着的、正在呼吸的、精力充沛的、间或会爱抚的雄性小鼠大脑内特定位置的某个细胞内。用头发丝那么细的光导纤维线插入活小鼠的大脑后,他们可以用光猝发将下丘脑的神经元打开或关闭。
安德森和他的同事用光遗传学制作了录像,演绎出啮齿动物大脑深处的爱恨交织的紧张情绪,展示了雄性小鼠如何顺从自然的调节而做出相应的行为。
在加州理工学院研究人员打开光时,正在和雌性交配的雄性小鼠会立即勃然发怒。亮光时,甚至连性格温和的雄性小鼠都会做出攻击行为,无论身边是什么——他的生殖伴侣,另一只雄性小鼠,一只被阉割的雄性小鼠(通常不会认为是威胁),或者,可能是丢进笼子里的一只橡胶手套。
“用光遗传学技术激活这些神经元足以激活攻击性行为,不仅会攻击适当的目标,如另一只雄性小鼠,还会攻击不适当的目标,例如雌性小鼠或无性能力的雄性小鼠。”安德森如是说。相反,研究人员可以在攻击行为中通过关闭亮光抑制这些神经元,“你可以在战斗时立即阻止这一行为。”
另外,研究还暗示,在行为运算中,做爱优先于作战:小鼠离生殖行为高潮越近,它对通常情况下会触发攻击行为的光脉冲的抵抗力(或不注意性)越强。
在发表于《生物精神病学》的一篇题为《大脑中的光遗传学、性和暴力:与精神病学的关联》一文中,安德森记述到,“或许‘做爱,而非作战’的命令是强化在我们的神经系统内,其程度比我们所意识到的还要深。”
我们也许既是爱人也是斗士,两个冲动之间的神经学距离非常微细。在人类大脑的数十亿神经元中,特定的神经元扮演哪些角色,控制运动或认知,或导致失调如沮丧和孤独?弄清小鼠或其他实验室动物各种神经元和电路的功能就能提供答案。
关于光遗传学
一种叫做光遗传学的技术给了科学家们将神经元打开或关闭的能力。借此,他们就能够探索某组神经元是否控制一种行为或失调。并且,研究人员可以用光遗传学方法操纵蠕虫、果蝇、小鼠、甚至猴子的神经元,而该技术曾被用于研究癫痫、上瘾、沮丧及其他行为内在的神经过程。
光遗传学需要将神经元转基因,以便能够产生光敏蛋白,还需要有波长调谐的光源,这通常是通过颅骨上的小洞来传送的。曾经有段时间,光敏蛋白对于机会神经元非常有效,沉默仅缓慢并微弱地出现。近来,研究人员设计出了还能有效地沉默神经元的蛋白,将该工具盒扩展应用于研究不同神经元在大脑的许多电路中扮演的角色。
尽管不能很快应用于人类大脑,光遗传学会在短期内为摧毁大脑失调的新处理策略指出方向。
导致大部分大脑失调症的细胞和基因变化并不为人所熟知。但新的技术正在使了解这些变化成为可能,这将有助于科学家找到新的药物或其他治疗手段。例如,科学家可以在陪替氏培养皿中种植患者的神经元。在开始时,科学家需要的就是皮肤干细胞或其他容易获得的细胞类型,这些细胞首先被转化为干细胞,然后转化为神经元,科学家可观察培养皿中神经元的外观及功能变化。
科学家还可以在这些神经元上试验药物,判断是否有复合物能够改进病症,甚至使用基因组编辑法在干细胞内引入我们认为和某个失调症相关的确切变化,然后检查最终的神经元是否异常。
没有人暗示我们正在利用神经回路断路器抑制攻击行为的边缘。但是,正如安德森所指出,该研究凸显了一个更大的意义,即一项新技术会怎样重新发明脑科学研究的方式。
“光遗传学将一个有重大关联的科学领域转入测试因果关系的科学的能力是有革新意义的。”这项技术的根本意义在于,它让科学家能够精准地干扰一个细胞或一个细胞网络,这是绘出影响各种行为类型回路图的关键步骤。成像等较老的技术让研究人员能够观察大脑动态,而光遗传学则让他们能影响这些动作,在特定时间刺激大脑特定区域观察发生的现象。
光遗传学仅仅是一套可能会在神经科学似乎最辉煌时期扮演主要角色的有革命意义的新工具。美国和欧洲的主要先驱希望理解人类大脑——由神经元、结缔组织和回路缠结成三磅种的凝乳一样的结构——是如何产生抽象思维和对沮丧等情绪的基本感觉处理等各种情况的。
当研究人员用这些工具研究大脑如何获得看起来很神秘的影响时,认知、自由意志、记忆、学习都被摆在了桌面上。
两千多年前,希波克拉底说到,“如果你想研究思想,必须从研究大脑开始。”在过去的两千年中,没有发生任何改变这项规则的事情——除了神经科学在这项研究任务上所使用的工具以外。
新工具的意义
神经科学史和科学史本身一样,常常是新设备和新技术的历史。加尔瓦尼因触发青蛙肌肉抽动而首次意外发现的电极启发人们发明了以后每一代电极,从沃尔特·赫斯的猫刺棒到现在的对深层脑刺激以治疗帕金森病的治疗应用(目前世界上大约有30,000人脑部置于了电极来治疗这种疾病)。膜片钳让神经解剖学家看到了神经元在准备发射时其内部离子的消长。
20世纪70年代早期,当保罗·劳特布尔在纽约州立大学石溪分校他的实验室内用强磁场对准一只不幸的蚌时,他根本没有意识到他和他的同事正在为磁共振成像(MRI)机奠定基础,这个机器曾帮助揭开存活大脑的内部形状和活动。然而,正是过去几年内,遗传学和基因组工具的进展才真正给神经科学带来了革命性的的变化。这些进展使得心脏光遗传学基因操作成为可能。甚至连更新的基因组编辑法,也能在实验室被用于精确改变活细胞的遗传学。
连同光遗传学一起,这些工具意味着,科学家可以开始确定人类大脑内大约860亿个神经细胞内几千个不同类型的神经细胞的功能。