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中国学者重磅发现:捕食和逃跑,生死攸关的指令发自同一神经环路

撰文 | 李晗冰(本刊特约记者)

责编 | 陈晓雪

“这是我20多年研究中经历的最为震撼的时刻之一。”说起这一期盼多年、突然而至的惊喜,北京生命科学研究所研究员罗敏敏依然兴奋。

捕食(Predation)与逃跑(Evasion),这两个瞬间启动的行为,对人类和动物而言都事关生死存亡。大脑的哪个部位在操控动物的捕食攻击行为或逃跑行为?要在迷宫般的大脑中找到这个“指挥部”并搞清其机理,无疑是个巨大的挑战。

 

这个至关重要的“指挥部”,被中国科学家率先找到。

 

美国东部时间2月1日中午12点(北京时间2月2日凌晨1点),神经科学领域的权威学术期刊《神经元》Neuron,在线发表了北京生命科学研究所罗敏敏实验室的论文“捕食和逃跑的下丘脑神经环路”。研究人员历尽曲折,发现外侧下丘脑的抑制性神经元控制着动物的捕食攻击行为,而外侧下丘脑的兴奋性神经元能够控制动物的逃跑行为。通过控制这些神经环路的活动,可以遥控动物发动猛烈攻击或落荒而逃。

 

罗敏敏实验室的最新研究是“一部杰作”,“其结果新颖、引人注目、令人信服,实验设计巧妙并得到完美执行”,美国纽约大学医学院研究社会行为神经机制的助理教授Dayu Lin评价说。

 

“在罗敏敏实验室的研究中,他们确定了一个从外侧下丘脑(英文简称LH)的伽马氨基丁酸(GABA)神经元(即抑制性神经元,作者注)到中脑导髓管灰质(PAG)的掠夺行为的关键神经环路,该神经环路在自然的捕食状态下激活,并且对于捕食行为充分必要。最引人注目的是,当激活LH 的GABA到PAG神经环路时,受刺激的小鼠显示出一系列高度协调的动作,包括接近、追逐、取回、撕咬蟋蟀,甚至是没有营养的人工蜡盘猎物。”Dayu Lin说,“另外,罗敏敏实验室发现了从LH到PAG的兴奋性投射介导了完全不同的行为——逃跑。当小鼠靠近人工制作攻击者时,LH到PAG的兴奋性神经环路被激活,驱使动物远离威胁。因此,LH双向控制PAG活动,通过平行途径驱动捕食和逃跑行为。”

 

“这些发现显著提高了我们对LH功能以及捕食和逃跑行为的神经机制的理解。”Dayu Lin最后说。

 

“这些发现很有趣,对于我们理解攻击性行为以及对危险的适应性反应都有意义。”美国麻省理工学院助理教授Kay Tye 评价说:“正如文中提供的非常动态且富说服力的视频所展示,作者设计的非常有创意的实验,揭示了捕食性攻击行为和逃跑行为在大脑中是如何激发的。趋近行为和回避行为影响强大而紧密相关,这些激动人心的数据将引发人们的强烈兴趣,进一步研究脑是如何协调这些行为的。”

 

 

1微电流刺激局限大,科学家努力上百年未果

 

揭开动物捕食和逃跑行为的神经学机理,是生命科学领域的重要课题。

 

无论是大海中的鱼类,还是陆地上的老鼠、猴子,瞬间启动的捕食和逃跑,都可谓千钧一发、事关生死。捕食者与被捕食者之间的生死搏斗,是自然界最为惊心动魄的动物行为,定义了动物进化的主要方向。

 

和人一样,操控动物行为的,是神经系统。神经系统包括中枢神经系统和外周神经系统,中枢神经系统通常指脑与脊髓。在动物的各种器官中,脑体积虽小,但无疑是最重要最复杂也最神秘的了。老鼠、猴子、人类等哺乳类动物的脑结构大致相同,包括端脑、间脑、中脑、脑桥、延髓、小脑等,每一个部分又包括多个细分的脑区。

 

脑内物质主要包括胶质细胞、神经细胞等构成。其中,神经细胞也称神经元,担负着“发号施令”的重任。神经元由三部分构成:树突纤维、胞体和轴突纤维;其中,树突纤维用来接受信号,胞体整合信号,轴突纤维用来输出信号。一个脑区的神经元胞体可以将其轴突纤维延伸一至下一个脑区,产生神经投射——两个脑区由此相互连接,形成神经环路。

 

脑内的神经元数目堪称“海量”,比如小鼠的脑内神经元大约在7千万个左右,人类则约有860亿个;不同脑区、细胞类型又形成多个定点连接,导致研究特定行为的神经环路更加困难。

 

如果从诺贝尔奖获得者沃尔特·赫斯的研究算起,科学家们已苦苦寻找了一个世纪,但依然未能找到控制捕食和逃跑的神经环路。

 

据Dayu Lin介绍,将近一个世纪前,诺贝尔奖获得者沃尔特·赫斯(Walter Hess)电刺激猫的下丘脑的外侧部分,曾经观察到刺激引起的掠食性攻击。然而,最近的研究集中在外侧下丘脑在进食中的作用,而其在捕食中的作用仍然不清楚。

 

人为操纵神经元活动,是研究神经元行为功能的重要手段。据罗敏敏介绍,早在上世纪六七十年代,国外科学家就采用微电流刺激的方式进行研究,发现刺激多个不同的脑区都能够使动物表现出类似捕食行为的杀戮行为。截至目前,这一传统的微电流刺激方法还在基础研究和临床治疗中广泛应用。

 

 “这一方法局限性很大。”罗敏敏说,电流刺激是“通杀”,它刺激所有脑区的所有神经元、神经末梢等,很难准确测定哪个脑区的哪些神经元在发挥作用。此外,之前的研究一直使用静止不动的东西作为猎物,没办法模拟自然状态下动物的捕食行为。

 

2新的实验平台和研究方法,依然无济于事

 

“脑内是不是有这样一个脑区,专门操控动物的捕食行为?”对这一重要课题兴趣浓厚的罗敏敏实验室,2013年搭建起新的实验平台,采用新的研究方法,试图找到控制动物捕食行为的脑区。

 

他们改变以往研究中一直使用已经处死的动物作为猎物的做法,采用计算机操控、能自由移动的物体作为小鼠的捕食目标,以最大限度模拟自然状态下动物的捕食行为。

 

 

在这个由计算机控制、能够高度模拟自然状态下动物捕食和逃跑行为的实验平台上,他们开始尝试通过损毁不同脑区,看看能否找到能够降低动捕食行为的关键脑区。

 

令人沮丧的是,几年过去了,实验一直没有取得大的进展。

 

3采用创新性的试验方法,幸福从天而降

 

转机在2016年下半年出现。

 

研究人员开始用活的蟋蟀作为小鼠的自然猎物,同时试图利用光遗传学技术取代传统的微电流刺激,诱导出动物的捕食行为。

 

论文第一作者李毅博士介绍,神经元通过发放叫做“动作电位”的电脉冲来传递信息,如果要研究某个脑区神经元的功能,首先就要控制神经元动作电位的发放。通过使用光学技术和遗传学技术结合来实现控制细胞行为的光遗传学(又称光刺激基因工程,英文为Optical stimulation plus genetic engineering,简称Optogenetics)技术,在2006年由斯坦福大学的研究人员最先用于神经生物学实验研究。它的基本原理是:用病毒搭载的办法,把对光敏感的蛋白表达在神经元中,然后通过光纤向神经元照射激光,控制神经元动作电位的发放或者不发放,从而达到激活或抑制神经元的目的。

 

通过查阅文献,李毅和曾佳为(在读博士生,共同第一作者)选定了几个目标区域;之后,通过对这几个可能的脑区逐个通过光刺激激活,观察动物行为的变化。

 

幸福在2017年1月4 日降临。当研究人员尝试刺激小鼠的外侧下丘脑神经元时,此前对在身边四处活动的蟋蟀视若无睹的小鼠,立即转身展开追逐,追上后把它按住、拼命撕咬。“这一实验可强烈激活动物的捕食攻击行为,重复性非常高,在不同动物中的成功率超过90%。”李毅说。

 

研究人员非常兴奋:过去被认为与动物奖赏性行为和觉醒等行为有关的外侧下丘脑,竟然有驱动捕食的功能!

 

 “看到这一视频的瞬间,是我20多年研究中经历的最为震撼的时刻之一。”罗敏敏说,“来的太突然了。经过多年失败后,现在我们立即可以轻松遥控动物的捕食行为,让一只平时吃饱喝足的实验室小鼠,从优哉游哉的状态,瞬时变成凶猛的猎手。”

 

这只是成功的第一步。LH脑区中有两类神经元:一部分是释放谷氨酸(Glutamate)的兴奋性神经元,还有一部分是释放GABA的抑制性神经元——到底哪一类神经元是真正的“指挥员”?

 

经过多次激活、抑制试验,研究人员通过标定特定细胞转基因的小鼠发现:操控动物捕食行为的,是抑制性神经元。“人为激活此类细胞导致强烈的捕食攻击,让已经吃饱的小鼠攻击蟋蟀、同类,以及快速移动但毫无营养价值的蜡块(虚拟猎物),甚至可以让小鼠从逃跑反转为捕食。”罗敏敏说,“更重要的是,人为降低此类细胞的活性可以有效降低饥饿动物的捕食行为。”

 

研究人员并未就此止步。通常,LH脑区的神经元会投射到许多不同的下游脑区——是下游的哪个脑区接受了捕食指令、并把它传输出去?换句话说,还必须搞清楚LH所发指令的接受脑区。

 

为此,必须采用选择性投射的方法,专门激活某一类神经元。但这需要新的病毒载体——能够沿着轴突纤维向胞体回传的病毒载体。

 

2016年10月,《神经元》杂志报道了国外某研究小组发现的具有“回传”功能的病毒载体。2017年1月,对新技术向来敏感的罗敏敏实验室利用该病毒载体,对LH脑区中占比较大的抑制性神经元进行测试。

 

他们在国内首次使用了双病毒搭载策略——

 

首先,研究人员利用了在抑制性细胞中表达重组酶Cre的小鼠,将一个病毒载体注射到这些小鼠的目标脑区,回传到LH的神经元胞体后表达一个依赖重组酶Cre表达的另一个重组酶Flp;

 

然后,将依赖于重组酶Flp才能表达的光敏感蛋白基因通过另一个病毒载体注射到LH。

 

这样,就能够将光敏感蛋白选择性地只表达在投射到目标脑区的LH抑制性神经元中,进而研究这群特定神经元的功能。

 

经过反复实验,研究人员最终确定:位于间脑的PAG,是捕食动作执行的整合中枢。打个比方说,LH负责发号施令;PAG则负责接受、分析指令,并把指令传递出去。

 

此后的实验证明:LH和PAG这两个脑区的抑制性连接构建了驱动动物捕食行为的神经环路。

 

4出人意料的是,操纵逃跑和捕食,居然是同一条神经环路

 

但问题又来了:LH脑区的抑制性神经元驱动了动物的捕食行为,在LH其中的兴奋性神经元,是干什么用的?

 

在此后的实验中,研究人员对LH脑区的兴奋性神经元进行了特异性激活,结果发现:这会导致小鼠强烈的逃跑行为。“哪怕小鼠正在追逐食物,一旦它LH脑区的兴奋性神经元被激活,就立马掉头逃跑!”

 

实验还表明:降低这些兴奋性神经元的活动,并不能够影响动物的逃跑速度,反而是阻碍了动物预测性的逃跑行为。由此,研究人员首次发现:下丘脑的兴奋性神经元控制了和危险预期有关的逃跑行为。“这部分结果之所以出乎意料,因为以前的研究普遍认为下丘脑的兴奋性神经元调节觉醒,从来没有把这个脑区的神经元活动与逃跑联系起来。”

 

至此,罗敏敏实验室不但揭示了动物捕食行为的神经学基础,同时还揭开了动物逃跑行为的神经学奥秘,而且证明了:捕食和逃跑这两种截然不同行为居然是由同一条神经环路——LH与PAG这两个脑区之间的神经环路——操控的,只不过操控前者的抑制性神经元,操控后者的是兴奋性神经元。

 “我们的成功有点幸运。”李毅博士说,这个课题的竞争十分激烈。“我们后来才发现,其实还有很多同样优秀的国内外研究小组也在研究LH与攻击或进食之间的联系——虽然他们没有像我们一样直接提出捕食的概念,但都有一定相关性。”

 

“我们之所以能及时完成此一课题,除了全新的实验平台和创新性的实验方法,密切协作也十分重要。”李毅说,实验是在罗老师的指导下,由他和曾佳为“主刀”,在实验室很多人的相互协作下才顺利完成的。“每个人都贡献了自己的一份力量。”他强调说。

 

5为治疗厌食症和强迫进食症提供了解决思路

 

无论是今后深入研究行为的神经科学基础还是动物进化,该发现都不同寻常。

 

罗敏敏告诉《知识分子》,捕食和逃跑是动物与生俱来、至今存在的保守行为,在“物竞天择、适者生存”的自然法则下,这两大行为神经学机理发现为动物生存进化和神经学研究打开了新的的窗口。

 

 

“罗(敏敏)研究组的工作描述了小鼠捕食和逃跑这两种行为对立而又统一的神经机制。”日内瓦大学神经学家Christian Lüscher评论说,“这个工作不仅对于动物生理提供了重要的深刻见解,而且有助于我们理解人类的厌食症及贪食症的机制。”

 

人类的厌食症和肥胖都与人们寻找食物的动力过低或过高有关。上世纪20世纪60年代的研究表明,下丘脑的损毁在动物模型与病人中都导致强烈的厌食症。此前也有报道说:服用精神药品甲卡西酮(俗称“丧尸药”),可以导致人精神错乱,从而会表现出与捕食类似的攻击行为。

 

罗敏敏表示,虽然现代人类有能力收集储存足够的食物,没有必要进行捕食行为,人类捕食行为的神经系统基础是否存在也有一定的争论,但是不排除外侧下丘脑的捕食神经环路在人类中起到存在,并提供寻找和获得食物的神经驱动信号。同样,开发技术或药物来调节此一脑区抑制性神经元的活动,也许有助于控制厌食或者强迫性进食等和代谢性疾病相关的不良行为。

 

与此同时,研究人员在研究有关逃跑行为时发现,下丘脑的兴奋性神经元与动物在危险情况下的预测性的应激行为有关,这也为治疗人类应激性功能障碍提供了新的解决线索。

 

参考文献: 

Li et al., Hypothalamic Circuits for Predation and Evasion, Neuron (2018), https://doi.org/10.1016/ j.neuron.2018.01.005 

 



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