倫敦地鐵站的兩只社畜為了爭奪資源大打出手。
圖源："Station Squabble" by Sam Rowley, Natural History Museum's Wildlife Photographer of the Year, People’s Choice Award （2020 自然歷史博物館年度野生動物攝影師比賽人民選擇獎獲獎?wù)掌鏅?quán)屬于原作者Sam Rowley，本文獲原作者授權(quán)使用)
前言：
群體生活有許多生存優(yōu)勢，包括人類在內(nèi)的許多動物都形成了或簡單或復(fù)雜的社會形式。任何社會形式，都免不了繁衍后代或同性競爭，因此性行為和攻擊就構(gòu)成兩種最基礎(chǔ)的社會行為元素。
那么，性行為與攻擊是如何被神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的？大腦是怎樣在不同的環(huán)境下發(fā)出不同指令的？紐約大學(xué)的林大宇教授研究組發(fā)表在7月《自然-神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）的論文或許揭開了該問題的冰山一角。撰文｜張行健
責(zé)編｜何義均 戴 威
在2020年英國自然歷史博物館年度野生動物攝影師比賽中，兩只老鼠在地鐵站大打出手的畫面摘得人民選擇獎。畫面中，一只老鼠身體前傾，壓制住另一只老鼠。根據(jù)美國神經(jīng)科學(xué)家 Larry Swanson 在2000年提出的一套理論框架，這套暴力動作至少需要下丘腦在多方感知后下達(dá)行為指令，才能完成。Swanson 框架解釋了動物行為背后的神經(jīng)機制，其中下丘腦是行為動作的控制器，它受到感覺系統(tǒng)、機體內(nèi)在狀態(tài)和認(rèn)知系統(tǒng)三個方面的調(diào)控（圖1）。譬如交配中，雄鼠的嗅覺系統(tǒng)感測到雌鼠的氣味，身體激素水平隨之改變，認(rèn)知系統(tǒng)做出判斷向運動系統(tǒng)發(fā)放指令，于是開始追逐雌鼠并嘗試交配。這套框架雖然在理論層面很成功，但我們還未搞清它的生理學(xué)原理。圖1 Swanson的行為神經(jīng)框架
認(rèn)知系統(tǒng)與下丘腦間的通道在哪?
下丘腦不同區(qū)域控制動物行為已有了較為廣泛的研究，人們發(fā)現(xiàn)其中兩個，分別與攻擊和性行為有關(guān) 。腹內(nèi)側(cè)下丘腦（ventromedial hypothalamus, VMH）一群特定的神經(jīng)元，當(dāng)小鼠攻擊時將處于激活狀態(tài)。若反過來人為地激活它們，雄性小鼠的攻擊性就會大大提高，看見一只醫(yī)用手套都要去咬兩口。觸發(fā)攻擊除了人為激活這些神經(jīng)元外不依賴于其他輸入。在 Swanson 的框架中，相當(dāng)于跳過了行為發(fā)生過程的大部分，直接激活行為控制器，就好像我們跳過了聲控電燈的聲音傳感器直接給燈泡通電一樣。用類似的方法，人們發(fā)現(xiàn)下丘腦另一個叫做視前內(nèi)側(cè)核（medial preoptic nucleus, MPN）的區(qū)域參與控制性行為和育雛行為。想搞清楚聲控電燈的原理，只知道燈泡通電就會亮遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同理，要完整理解這個控制系統(tǒng)，行為動機的來源是一個不能回避的重要問題—— 特別是認(rèn)知系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)各種高級決策功能，但決策如何調(diào)控下丘腦我們還知之甚少。林大宇教授領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)一片叫做后杏仁核的腦區(qū)可能就是該問題的答案。杏仁核位于顱內(nèi)下丘腦側(cè)下方，左右各一，以形似杏仁得名（圖2）。所謂后杏仁核，就是杏仁核靠近后腦勺兒方向的后部。杏仁核最為人所知的功能是調(diào)節(jié)情緒。但是同下丘腦一樣，杏仁核的不同區(qū)域也有各種更具體的功能。后杏仁核的功能是什么一直沒有明確的答案。林大宇研究團隊發(fā)現(xiàn)，上文提到的下丘腦中與攻擊和性行為相關(guān)的二區(qū)，都受來自后杏仁核（posterior amygdala, PA）的信號輸入。逆向神經(jīng)連接示蹤顯示，腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）和視前內(nèi)側(cè)核（MPN）接收來自后杏仁核的投射。投射向這兩個區(qū)域的分別是兩群幾乎沒有重疊的神經(jīng)元（圖2）。這個發(fā)現(xiàn)意味著后杏仁核可能在不同行為命令的分發(fā)中扮演重要角色。圖2 后杏仁核神經(jīng)元投射向視前內(nèi)側(cè)核與腹內(nèi)側(cè)下丘腦圖源：Brain Explorer, Mouse Brain Connectivity Atlas（Allen Institute）
兩群投射神經(jīng)元，兩種響應(yīng)模式
鎖定目標(biāo)后，研究組測定了這兩群神經(jīng)元與特定社會行為的聯(lián)系。他們用鈣離子指示劑標(biāo)記特定的神經(jīng)元。神經(jīng)元越興奮，鈣離子濃度就越高，鈣離子指示劑的熒光就越強。通過測定熒光強度便可得知神經(jīng)元的活躍程度。研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遇到雌鼠時，雄鼠后杏仁核（PA）投射向視前內(nèi)側(cè)核（MPN）的神經(jīng)元十分興奮，遠(yuǎn)比遇到其他雄鼠興奮得多（圖3）。在雄鼠開始交配時，這群神經(jīng)元進(jìn)入格外興奮的狀態(tài)，并且隨著交配進(jìn)度的深入，活動水平也漸進(jìn)升高。然而在面對其他雄鼠時，這些神經(jīng)元卻表現(xiàn)得相對冷淡，雄鼠間的打斗中他們也不會像在面對雌鼠時那樣興奮。與此相反，投射向腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元卻是在碰到雄鼠時比雌鼠時更興奮（圖3）。它們的活動在時間上與雄鼠間一波一波的打斗一致。雖然它們在交配行為中也有一定的活動，但無論時間的一致性還是神經(jīng)活動程度都很低。這個實驗結(jié)果說明，投射向視前內(nèi)側(cè)核（MPN）的神經(jīng)元與交配特別相關(guān)，而投射向腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元和進(jìn)攻行為特別相關(guān)。這與此前對視前內(nèi)側(cè)核（MPN）和腹內(nèi)測下丘腦（VMH）的功能研究吻合。來自上游的信號很可能正是在后杏仁核選擇性地激活這兩個下丘腦區(qū)域，實現(xiàn)不同的環(huán)境下對攻擊和性行為的控制。圖3 兩組神經(jīng)元分別在交配和攻擊中興奮 原圖圖源：文獻(xiàn)[1]
為了驗證后杏仁核的神經(jīng)元是否真的直接參與控制行為，研究人員嘗試使用化學(xué)藥物工具抑制或激活特定的神經(jīng)元活動，測試與之對應(yīng)的攻擊或交配行為是否會受到影響。從實驗結(jié)果看，答案大致是肯定的，并有些出乎意料。在抑制實驗中，藥物抑制的視前內(nèi)側(cè)核（MPN）神經(jīng)元幾乎完全消除了雄鼠性行為。參加測試的雄鼠很多根本不會嘗試交配，完成交配的一只都沒有。同樣的操作對雄鼠的攻擊行為卻沒有什么影響。抑制投射向腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元結(jié)果不同：雄鼠性行為只受到輕度影響，但它們對同性的攻擊卻降低很多。在激活試驗中，激活投射視前內(nèi)側(cè)核（MPN）的神經(jīng)元顯著增強了交配行為，雄鼠嘗試交配的次數(shù)明顯增多，部分雄鼠在雌鼠拒絕的情況下也完成了部分交配步驟。當(dāng)受高劑量藥物激活時，不僅交配行為被增強，雄鼠甚至?xí)_始攻擊雌鼠。這種過度激活下的攻擊是特別針對雌性的，通常雄性不會這樣做。“這是我們沒有預(yù)見到的。社會行為環(huán)路是一個網(wǎng)狀系統(tǒng)。我想這個現(xiàn)象說明它確實很復(fù)雜?！?對此，本研究的第一作者 Takashi Yamaguchi 博士在《知識分子》的采訪中說道。至于投射腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元，激活它們增強了雄鼠對其他雄鼠和雌鼠的攻擊行為，更高劑量的藥物只是更多地提高了攻擊水平。今年稍早先，中國科學(xué)院上海神經(jīng)所的許曉鴻教授研究組發(fā)表在《細(xì)胞報道》（Cell Reports）的研究，也發(fā)現(xiàn)激活/抑制這群從后杏仁核（PA）投射向腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元會增強/削弱雄鼠的領(lǐng)地爭奪。這兩篇研究共同證明，投射腹內(nèi)側(cè)下丘腦（VMH）的神經(jīng)元特異地影響攻擊行為。后杏仁核是認(rèn)知系統(tǒng)控制信號的來源嗎？
現(xiàn)在回到最初的問題，在認(rèn)知系統(tǒng)向下丘腦發(fā)出信號的過程中，后杏仁核扮演了什么角色？后杏仁核通往這兩個腦區(qū)的投射會是 Swanson 模型里認(rèn)知系統(tǒng)信號的通路嗎？逆向示蹤結(jié)果顯示，以學(xué)習(xí)記憶聞名的海馬體是后杏仁核（PA）這兩群神經(jīng)元最大的輸入源。海馬體是認(rèn)知系統(tǒng)的樞紐，與空間記憶、時序事件等在大腦中的存儲和提取都有密切關(guān)系。來自海馬的投射或許意味著，后杏仁核正是認(rèn)知系統(tǒng)的命令進(jìn)入下丘腦行為控制系統(tǒng)的入口。在后杏仁核，來自認(rèn)知系統(tǒng)的信號被分發(fā)到下丘腦不同區(qū)域，驅(qū)使小鼠在不同環(huán)境中做出不同的反應(yīng)：打架還是談戀愛這棵決策樹在雄性的腦袋里，很可能正是從海馬體投射到后杏仁核時分叉的。Yamaguchi 博士與林大宇教授都表示，這篇文章最重要的意義，就是找到了后杏仁核在 Swanson 行為框架中扮演的重要角色。“雖然我認(rèn)為關(guān)于小鼠后杏仁核的發(fā)現(xiàn)不可以簡單套用到人類身上，但背后的基礎(chǔ)神經(jīng)學(xué)原理，它在 Swanson 框架中的定位，可能可以幫我們理解人類的大腦與行為?！?Yamaguchi 博士告訴《知識分子》。這一研究也衍生出新的問題。如果后杏仁核是來自認(rèn)知系統(tǒng)信號的入口，那么在其上游，相關(guān)的信息經(jīng)過了怎樣的處理，它們又以什么形式到達(dá)這里？這些問題都需要進(jìn)一步的研究。此外，社會行為的神經(jīng)環(huán)路機理，不同的性別常常有巨大的差別。雌性小鼠的后杏仁核有怎樣的功能也是很值得研究的問題。以此為出發(fā)點，或許在不遠(yuǎn)的未來認(rèn)知系統(tǒng)在社會行為中扮演的角色就會逐步清晰。參考文獻(xiàn)
[1]Yamaguchi, Takashi, Dongyu Wei, Soomin C. Song, Byungkook Lim, Nicolas X. Tritsch, and Dayu Lin. "Posterior amygdala regulates sexual and aggressive behaviors in male mice." Nature Neuroscience (2020): 1-14.[2]Swanson, Larry W. "Cerebral hemisphere regulation of motivated behavior." Brain research 886, no. 1-2 (2000): 113-164.[3]Chen, Patrick, and Weizhe Hong. "Neural circuit mechanisms of social behavior." Neuron 98, no. 1 (2018): 16-30.[4]Zha, Xi, Lei Wang, Zhuo-Lei Jiao, Rong-Rong Yang, Chun Xu, and Xiao-Hong Xu. "VMHvl-Projecting Vglut1+ Neurons in the Posterior Amygdala Gate Territorial Aggression." Cell Reports 31, no. 3 (2020): 107517. 制版編輯 | 皮皮魚
