共情（Empathy）是一种让我们感知和理解他人情绪（如快乐、悲伤或恐惧）的能力。它是人类社会的重要功能，在自闭症、精神分裂症和阿尔茨海默氏症等许多精神和神经系统疾病中都观察到了共情能力的损害。人类尚未确定构成共情的脑神经机制，而且探索共情起源的相关研究也很少。共情，这种感知他人感受的能力并非人类所独有的，包括啮齿动物在内的其他哺乳动物也享有共情能力及其生物机制。
虐齿类动物的观察性恐惧（Observational fear）模型是情绪传染和情感共情的基本形式。科学家已经确立了这种模型，并经常用于研究共情的神经生物学。在观察性恐惧实验中，“观察(Observer)”鼠可以从透明屏幕后面看到“演示(Demonstrator)”鼠遭受电击。当观察者老鼠看到另一只老鼠遭受电击时，会立即表现出恐惧反应——典型的表现就是木僵行为。人们认为，观察者老鼠也能够在随后的时段回忆起这段经历。
观察性恐惧模型实验示意图
SHIN Hee-Sup博士领导的团队将观察性恐惧模型与光遗传实验结合在一起，用来探索共情的起源。值得注意的是，这项研究表明，多个脑区域的同步节律是触发共情至关重要的因素。
尤其重要的是，在实验室中让观察鼠间接暴露于演示鼠的痛苦（而非直接遭遇恐惧经验）中，以此诱发的前扣带回皮层（anterior cingulate cortex, ACC）和基底外侧杏仁核（basolateral amygdala, BLA）之间的同频共振是独一无二的。
rACC和rBLA之间的相互联系是导致观察性恐惧的原因。A、 小鼠观察恐惧的行为程序示意图。B、 rACC BLA投射的光遗传学抑制显著降低了观察恐惧期间的木僵反应。C、 rACC-rBLA投射的光遗传学抑制显著降低了观察恐惧期间的木僵反应。Kim, S. W., Kim, M., Baek, J., Latchoumane, C. F., Gangadharan, G., Yoon, Y., Kim, D. S., Lee, J. H., & Shin, H. S. (2022). Hemispherically lateralized rhythmic oscillations in the cingulate-amygdala circuit drive affective empathy in mice. Neuron, S0896-6273(22)01000-5. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.11.001
首先，研究表明，右半球扣带回杏仁核回路（cingulate-amygdala circuit，ACC-BLA）对观测到木僵行为至关重要。当它们仅对右脑的ACC-BLA回路进行光基因抑制时，观察鼠的木僵率降低。另一方面，只抑制左侧ACC-BLA脑回路时，小鼠的行为没有受到影响。
其次，研究人员通过分析ACC和BLA中的脑电图（EEG）发现，当观察者小鼠表现出共情性木僵行为时，ACC和BLA 5-7Hz范围的大脑节律有选择性地增加。另一方面，直接遭受电击的演示鼠仅仅在BLA中出现了较低范围的3-5Hz震动频率增加，但在ACC中没有增加。
Shin博士说：“大脑网络中的同步（神经）振荡可以增强多个大脑区域之间对各种认知和情感功能的沟通。然而，他们的因果关系很少得到证明。”
为了测试5-7Hz节律与共情行为之间的因果关系，该团队进行了“闭环操作（closed-loop manipulations）”实验，其中包括使用光遗传学来抑制特定的神经功能，并使用脑电图监测脑电波。通过闭环实验，它们可以选择性地扰乱ACC-BLA回路中的5-7赫兹节律，这反过来又导致观察恐惧的严重受损。这些结果表明，扣带回杏仁核回路（cingulate-amygdala circuit）中的5~7Hz节律与共情行为有关。
因此，研究人员假设：海马θ（4-12 Hz）的节律可以调整ACC-BLA回路中的同步活动。有人提出，海马θ节律提供了一个振荡框架，可以同步不同大脑区域之间的活动。在观察性恐惧期间，研究人员通过光遗传操纵。选择性地调节了海马θ的较低范围。随着海马θ频率的变化，对ACC-BLA电路中的5-7赫兹节律和共情反应进行了双向调制。这项研究强烈表明，（依赖于海马θ波的）ACC-BLA之5-7 Hz同步振荡对小鼠的共情反应的推动尤其
博士Hee-Sup Shin评论道：“鉴于哺乳动物普遍存在观察性恐惧，有理由假设，可以在人类大脑中找到（对情绪共情至关重要的）类似神经特征，并可用于识别患有严重社会缺陷的精神障碍的人类的共情功能障碍。”Shin补充说：“目前，我们不知道海马θ节律如何控制ACC-BLA节律。未来的研究应该解决在观察性恐惧期间如何同时动员多个大脑区域的问题。”
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