捕食和逃跑，生死攸關的指令發自同一神經環路
2018-02-07
《神經元》印刷版將在2月21日刊發羅敏敏實驗室的最新研究，此為《神經元》封面配圖，暗示了自然界動物的捕食、逃跑行為。羅敏敏實驗室鐘煒欣繪製。
“這是我20多年研究中經歷的最為震撼的時刻之一。”說起這一期盼多年、突然而至的驚喜，北京生命科學研究所研究員羅敏敏依然興奮。
捕食 （Predation） 與逃跑 （Evasion） ，這兩個瞬間啟動的行為，對人類和動物而言都事關生死存亡。大腦的哪個部位在操控動物的捕食攻擊行為或逃跑行為？要在迷宮般的大腦中找到這個“指揮部”並搞清其機理，無疑是個巨大的挑戰。
這個至關重要的“指揮部”，被中國科學家率先找到。
美國東部時間2月1日中午12點 （北京時間2月2日淩晨1點） ，神經科學領域的權威學術期刊《神經元》 （ Neuron ） ，線上發表了北京生命科學研究所羅敏敏實驗室的論文“捕食和逃跑的下丘腦神經環路”。研究人員歷盡曲折，發現外側下丘腦的抑制性神經元控制著動物的捕食攻擊行為，而外側下丘腦的興奮性神經元能夠控制動物的逃跑行為。通過控制這些神經環路的活動，可以遙控動物發動猛烈攻擊或落荒而逃。
羅敏敏實驗室的最新研究是“一部傑作”，“其結果新穎、引人注目、令人信服，實驗設計巧妙並得到完美執行”，美國紐約大學醫學院研究社會行為神經機制的助理教授Dayu Lin評價說。
“在羅敏敏實驗室的研究中，他們確定了一個從外側下丘腦 （英文簡稱LH） 的伽馬氨基丁酸 (GABA) 神經元 （即抑制性神經元，作者注） 到中腦導髓管灰質 （PAG） 的掠奪行為的關鍵神經環路，該神經環路在自然的捕食狀態下啟動，並且對於捕食行為充分必要。最引人注目的是，當啟動LH 的GABA到PAG神經環路時，受刺激的小鼠顯示出一系列高度協調的動作，包括接近、追逐、取回、撕咬蟋蟀，甚至是沒有營養的人工蠟盤獵物。”Dayu Lin說，“另外，羅敏敏實驗室發現了從LH到PAG的興奮性投射介導了完全不同的行為——逃跑。當小鼠靠近人工製作攻擊者時，LH到PAG的興奮性神經環路被啟動，驅使動物遠離威脅。因此，LH雙向控制PAG活動，通過平行途徑驅動捕食和逃跑行為。”
“這些發現顯著提高了我們對LH功能以及捕食和逃跑行為的神經機制的理解。”Dayu Lin最後說。
“這些發現很有趣，對於我們理解攻擊性行為以及對危險的適應性反應都有意義。”美國麻省理工學院助理教授Kay Tye 評價說：“正如文中提供的非常動態且富說服力的視頻所展示，作者設計的非常有創意的實驗，揭示了捕食性攻擊行為和逃跑行為在大腦中是如何激發的。趨近行為和回避行為影響強大而緊密相關，這些激動人心的資料將引發人們的強烈興趣，進一步研究腦是如何協調這些行為的。”
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微電流刺激局限大，科學家努力上百年未果
揭開動物捕食和逃跑行為的神經學機理，是生命科學領域的重要課題。
無論是大海中的魚類，還是陸地上的老鼠、猴子，瞬間啟動的捕食和逃跑，都可謂千鈞一髮、事關生死。捕食者與被捕食者之間的生死搏鬥，是自然界最為驚心動魄的動物行為，定義了動物進化的主要方向。
和人一樣，操控動物行為的，是神經系統。神經系統包括中樞神經系統和外周神經系統，中樞神經系統通常指腦與脊髓。在動物的各種器官中，腦體積雖小，但無疑是最重要最複雜也最神秘的了。老鼠、猴子、人類等哺乳類動物的腦結構大致相同，包括端腦、間腦、中腦、腦橋、延髓、小腦等，每一個部分又包括多個細分的腦區。
腦內物質主要包括膠質細胞、神經細胞等構成。其中，神經細胞也稱神經元，擔負著“發號施令”的重任。神經元由三部分構成：樹突纖維、胞體和軸突纖維；其中，樹突纖維用來接受信號，胞體整合信號，軸突纖維用來輸出信號。一個腦區的神經元胞體可以將其軸突纖維延伸一至下一個腦區，產生神經投射——兩個腦區由此相互連接，形成神經環路。
腦內的神經元數目堪稱“海量”，比如小鼠的腦內神經元大約在7千萬個左右，人類則約有860億個；不同腦區、細胞類型又形成多個定點連接，導致研究特定行為的神經環路更加困難。
如果從諾貝爾獎獲得者沃爾特·赫斯的研究算起，科學家們已苦苦尋找了一個世紀，但依然未能找到控制捕食和逃跑的神經環路。
據Dayu Lin介紹，將近一個世紀前，諾貝爾獎獲得者沃爾特·赫斯 （Walter Hess） 電刺激貓的下丘腦的外側部分，曾經觀察到刺激引起的掠食性攻擊。然而，最近的研究集中在外側下丘腦在進食中的作用，而其在捕食中的作用仍然不清楚。
人為操縱神經元活動，是研究神經元行為功能的重要手段。據羅敏敏介紹，早在上世紀六七十年代，國外科學家就採用微電流刺激的方式進行研究，發現刺激多個不同的腦區都能夠使動物表現出類似捕食行為的殺戮行為。截至目前，這一傳統的微電流刺激方法還在基礎研究和臨床治療中廣泛應用。
“這一方法局限性很大。”羅敏敏說，電流刺激是“通殺”，它刺激所有腦區的所有神經元、神經末梢等，很難準確測定哪個腦區的哪些神經元在發揮作用。此外，之前的研究一直使用靜止不動的東西作為獵物，沒辦法類比自然狀態下動物的捕食行為。
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新的實驗平臺和研究方法，依然無濟於事
“腦內是不是有這樣一個腦區，專門操控動物的捕食行為？”對這一重要課題興趣濃厚的羅敏敏實驗室，2013年搭建起新的實驗平臺，採用新的研究方法，試圖找到控制動物捕食行為的腦區。
他們改變以往研究中一直使用已經處死的動物作為獵物的做法，採用電腦操控、能自由移動的物體作為小鼠的捕食目標，以最大限度類比自然狀態下動物的捕食行為。
電腦控制、能夠高度類比自然狀態下動物捕食行為的實驗平臺。上面一排圖片從左到右，顯示的是小鼠的一次追逐過程；左下圖中的紅色圓盤中盛放著食物顆粒，右下圖為在電腦程式的控制下圓盤會沿著場地邊界的兩個方向移動，動物則會表現出類似捕食的行為。羅敏敏實驗室提供。
在這個由電腦控制、能夠高度類比自然狀態下動物捕食和逃跑行為的實驗平臺上，他們開始嘗試通過損毀不同腦區，看看能否找到能夠降低動捕食行為的關鍵腦區。
令人沮喪的是，幾年過去了，實驗一直沒有取得大的進展。
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採用創新性的試驗方法，幸福從天而降
轉機在2016年下半年出現。
研究人員開始用活的蟋蟀作為小鼠的自然獵物，同時試圖利用光遺傳學技術取代傳統的微電流刺激，誘導出動物的捕食行為。
論文第一作者李毅博士介紹，神經元通過發放叫做“動作電位”的電脈衝來傳遞資訊，如果要研究某個腦區神經元的功能，首先就要控制神經元動作電位的發放。通過使用光學技術和遺傳學技術結合來實現控制細胞行為的光遺傳學 （又稱光刺激基因工程，英文為Optical stimulation plus genetic engineering，簡稱Optogenetics） 技術，在2006年由斯坦福大學的研究人員最先用於神經生物學實驗研究。它的基本原理是：用病毒搭載的辦法，把對光敏感的蛋白表達在神經元中，然後通過光纖向神經元照射鐳射，控制神經元動作電位的發放或者不發放，從而達到啟動或抑制神經元的目的。
通過查閱文獻，李毅和曾佳為 （在讀博士生，共同第一作者） 選定了幾個目的地區域；之後，通過對這幾個可能的腦區逐個通過光刺激啟動，觀察動物行為的變化。
幸福在2017年1月4 日降臨。當研究人員嘗試刺激小鼠的外側下丘腦神經元時，此前對在身邊四處活動的蟋蟀視若無睹的小鼠，立即轉身展開追逐，追上後把它按住、拼命撕咬。“這一實驗可強烈啟動動物的捕食攻擊行為，重複性非常高，在不同動物中的成功率超過90%。”李毅說。
研究人員非常興奮：過去被認為與動物獎賞性行為和覺醒等行為有關的外側下丘腦，竟然有驅動捕食的功能！
“看到這一視頻的瞬間，是我20多年研究中經歷的最為震撼的時刻之一。”羅敏敏說，“來的太突然了。經過多年失敗後，現在我們立即可以輕鬆遙控動物的捕食行為，讓一隻平時吃飽喝足的實驗室小鼠，從優哉遊哉的狀態，暫態變成兇猛的獵手。”
這只是成功的第一步。LH腦區中有兩類神經元：一部分是釋放谷氨酸 （Glutamate） 的興奮性神經元，還有一部分是釋放GABA的抑制性神經元——到底哪一類神經元是真正的“指揮員”？
經過多次啟動、抑制試驗，研究人員通過標定特定細胞轉基因的小鼠發現：操控動物捕食行為的，是抑制性神經元。“人為啟動此類細胞導致強烈的捕食攻擊，讓已經吃飽的小鼠攻擊蟋蟀、同類，以及快速移動但毫無營養價值的蠟塊 （虛擬獵物） ，甚至可以讓小鼠從逃跑反轉為捕食。”羅敏敏說，“更重要的是，人為降低此類細胞的活性可以有效降低饑餓動物的捕食行為。”
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類比自然狀態下東逃跑行為的實驗平臺裡，一個受電腦控制的“攻擊者”（紅色圓盤）不斷地靠近追逐小鼠，小鼠會表現出明顯的逃跑行為（上排圖片）；如果忽然將藍色鐳射通過小鼠頭頂的光纖導入小鼠腦內，啟動表達了光敏感蛋白的LH抑制性神經元，則能夠完全導致動物從逃跑行為狀態轉為進攻行為狀態（下排圖片）。羅敏敏實驗室提供
研究人員並未就此止步。通常，LH腦區的神經元會投射到許多不同的下游腦區——是下游的哪個腦區接受了捕食指令、並把它傳輸出去？換句話說，還必須搞清楚LH所發指令的接受腦區。
為此，必須採用選擇性投射的方法，專門啟動某一類神經元。但這需要新的病毒載體——能夠沿著軸突纖維向胞體回傳的病毒載體。
2016年10月，《神經元》雜誌報導了國外某研究小組發現的具有“回傳”功能的病毒載體。2017年1月，對新技術向來敏感的羅敏敏實驗室利用該病毒載體，對LH腦區中占比較大的抑制性神經元進行測試。
他們在國內首次使用了雙病毒搭載策略——
首先，研究人員利用了在抑制性細胞中表達重組酶Cre的小鼠，將一個病毒載體注射到這些小鼠的目標腦區，回傳到LH的神經元胞體後表達一個依賴重組酶Cre表達的另一個重組酶Flp；
然後，將依賴於重組酶Flp才能表達的光敏感蛋白基因通過另一個病毒載體注射到LH。
這樣，就能夠將光敏感蛋白選擇性地只表達在投射到目標腦區的LH抑制性神經元中，進而研究這群特定神經元的功能。
經過反復實驗，研究人員最終確定：位於間腦的PAG，是捕食動作執行的整合中樞。打個比方說，LH負責發號施令；PAG則負責接受、分析指令，並把指令傳遞出去。
此後的實驗證明：LH和PAG這兩個腦區的抑制性連接構建了驅動動物捕食行為的神經環路。
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出人意料的是，操縱逃跑和捕食，居然是同一條神經環路
但問題又來了：LH腦區的抑制性神經元驅動了動物的捕食行為，在LH其中的興奮性神經元，是幹什麼用的？
在此後的實驗中，研究人員對LH腦區的興奮性神經元進行了特異性啟動，結果發現：這會導致小鼠強烈的逃跑行為。“哪怕小鼠正在追逐食物，一旦它LH腦區的興奮性神經元被啟動，就立馬掉頭逃跑！”
實驗還表明：降低這些興奮性神經元的活動，並不能夠影響動物的逃跑速度，反而是阻礙了動物預測性的逃跑行為。由此，研究人員首次發現：下丘腦的興奮性神經元控制了和危險預期有關的逃跑行為。“這部分結果之所以出乎意料，因為以前的研究普遍認為下丘腦的興奮性神經元調節覺醒，從來沒有把這個腦區的神經元活動與逃跑聯繫起來。”
至此，羅敏敏實驗室不但揭示了動物捕食行為的神經學基礎，同時還揭開了動物逃跑行為的神經學奧秘，而且證明了：捕食和逃跑這兩種截然不同行為居然是由同一條神經環路——LH與PAG這兩個腦區之間的神經環路——操控的，只不過操控前者的抑制性神經元，操控後者的是興奮性神經元。
《神經元》雜誌對該項研究的總結概括，描述了從LH到PAG的抑制性和興奮性神經環路分別控制了動物的捕食和逃跑行為。羅敏敏實驗室供圖。
“我們的成功有點幸運。”李毅博士說，這個課題的競爭十分激烈。“我們後來才發現，其實還有很多同樣優秀的國內外研究小組也在研究LH與攻擊或進食之間的聯繫——雖然他們沒有像我們一樣直接提出捕食的概念，但都有一定相關性。”
“我們之所以能及時完成此一課題，除了全新的實驗平臺和創新性的實驗方法，密切協作也十分重要。”李毅說，實驗是在羅老師的指導下，由他和曾佳為“主刀”，在實驗室很多人的相互協作下才順利完成的。“每個人都貢獻了自己的一份力量。”他強調說。
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為治療厭食症和強迫進食症提供了解決思路
無論是今後深入研究行為的神經科學基礎還是動物進化，該發現都不同尋常。
羅敏敏告訴《知識份子》，捕食和逃跑是動物與生俱來、至今存在的保守行為，在“物競天擇、適者生存”的自然法則下，這兩大行為神經學機理發現為動物生存進化和神經學研究打開了新的的視窗。
“羅（敏敏）研究組的工作描述了小鼠捕食和逃跑這兩種行為對立而又統一的神經機制。”日內瓦大學神經學家Christian Lüscher評論說，“這個工作不僅對於動物生理提供了重要的深刻見解，而且有助於我們理解人類的厭食症及貪食症的機制。”
人類的厭食症和肥胖都與人們尋找食物的動力過低或過高有關。上世紀20世紀60年代的研究表明，下丘腦的損毀在動物模型與病人中都導致強烈的厭食症。此前也有報導說：服用精神藥品甲凱西酮 （俗稱“喪屍藥”） ，可以導致人精神錯亂，從而會表現出與捕食類似的攻擊行為。
圖片為1866年治療前以及1870年治療後的“A小姐（Miss A）”，她是現代醫學中最早被研究的神經性厭食症案例，上圖是治療前，下圖是治療後。圖片來自：Willam
Withey Gull, 1873.
羅敏敏表示，雖然現代人類有能力收集儲存足夠的食物，沒有必要進行捕食行為，人類捕食行為的神經系統基礎是否存在也有一定的爭論，但是不排除外側下丘腦的捕食神經環路在人類中起到存在，並提供尋找和獲得食物的神經驅動信號。同樣，開發技術或藥物來調節此一腦區抑制性神經元的活動，也許有助於控制厭食或者強迫性進食等和代謝性疾病相關的不良行為。
與此同時，研究人員在研究有關逃跑行為時發現，下丘腦的興奮性神經元與動物在危險情況下的預測性的應激行為有關，這也為治療人類應激性功能障礙提供了新的解決線索。
參考文獻:
Li
et al., Hypothalamic Circuits for Predation and Evasion, Neuron (2018),
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.01.005
撰文 | 李晗冰
