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科学家能操纵恐惧“开关”了

惊慌害怕,惶惶不安,这样的恐惧情绪想必人人都不想要,然而,恐惧并非你所想象的那样一无是处。

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在科学家看来,恐惧是物种进化与生存过程中最重要和最不可或缺的基本情绪表征之一,外界的恐惧刺激可以激发生物个体的防御行为,从而在其生存和繁衍中起到重要作用。然而,大脑中的“恐惧情感”到底是由哪一类神经元操纵的,是一个令很多科学家困惑多年的问题。


最近,中国科学院深圳先进技术研究院-MIT麦戈文联合脑认知与脑疾病研究所王立平研究团队与中科院多家研究机构协同攻关,应用光感基因神经环路调控等技术解析出存在于大脑皮层下的一类特定类型神经元,可以针对视觉的威胁刺激信息在毫秒级给予快速处理,而不需要视觉皮层的直接参与。


这就意味着,针对快速出现的危险刺激,可以不用“眼见为实”,就需要快速“直觉”出危险的存在而在毫秒级作出逃避反应。系列研究成果分别于今年4月和7月,连续发表在国际著名学术期刊《自然—通讯》上。


揭示神经环路的奥秘


科学家认为,无论是动物或人,对于快速出现和不断逼近的“阴影”刺激,不管真正的刺激源来自哪里,都会激发生物个体作出非常快速的本能性警觉和防御反应,甚至完全“不需经过思考”。尽管动物和人的大脑在基因表达、脑结构及容量上差别很大,但是执行“趋利避害”这些与基本生存密切相关功能所对应的神经系统,在进化过程中被保留并固化下来,形成了其特定的神经环路连接方式。


这些隐藏于大脑深处的“古老”的神经环路,却蕴藏着人类基本情感产生的秘密。然而,经典的研究方法(药物干预、电刺激、磁刺激、力刺激等)都无法在毫秒级时间精准、单类细胞特异性的调控神经环路,因而无法真正理解情绪的机制。


大脑中的恐惧情感是由哪一类神经元操纵的?慢性疼痛是怎样导致焦虑的?这样的问题不解决,就很难真正在“只具有治疗效果的”的细胞靶点上针对负面情绪给予调控。


精准地解析神经环路的结构和功能是解决这些问题的关键。“光遗传技术的出现也让使得上述问题的最终解决成为可能。”王立平告诉记者。


论文的共同第一作者蔚鹏飞博士、刘楠和张志建等人在研究中,发现上丘中深层兴奋性神经元会特异性的响应天敌威胁的视觉刺激,通过丘脑的快速中继通路将信号传输至外侧杏仁核,并持续激活杏仁核神经元的活动。


利用光遗传学技术特异性的“关闭”或者“打开”这条通路的功能,研究人员发现这条通路特异性的介导了动物本能恐惧反应的产生。此项研究成果有望为进一步解析包括恐惧情绪在内的物种繁衍生存的基本神经环路特征和精神疾病的发生机制提供新的研究思路。


而为了回答“慢性疼痛是怎样导致焦虑”这一问题,王立平团队与北京大学王韵教授实验室合作,整合运用光遗传技术等方法以及电生理、行为学和分子生物学等交叉技术手段,揭示了在情绪、认知、决策中至关重要的前额叶皮层中的亚核团前边缘皮质中的兴奋性神经元在慢性痛和焦虑中的作用。


“目前,脑科学国际前沿和主流的研究方向上,特别是神经环路调控的研究,都集中在神经细胞种类的标记技术、神经环路示踪技术、特定细胞类型的神经环路调控和技术手段等。美国‘脑计划’也把这几个技术作为优先发展的技术,这将成为未来国际脑科学研究的不可或缺的重要手段之一。”完成这件工作的重要参与者,武汉物理数学所研究员徐富强说。


光遗传技术带来脑科学革新


据研究人员透露,目前全球脑疾病患者人数已经超过5亿,由此产生的医疗负担达数万亿美元/年,高居全部疾病之首。因此,脑科学成为了当前 “后基因组时代”的研究热点,各国均加大了相关研究的投入。


上世纪美国的“脑十年”,欧洲的“欧洲脑十年”,日本的二十年“脑科学时代”等计划,都已为脑科学研究给予了巨额资助。2011年起,我国先后启动了自然科学基金委“重大研究计划”和中国科学院“战略性先导科技专项”等多个脑科学重大研究专项。


脑功能成像技术的出现使得神经科学研究在过去的二十年中有了前所未有的飞速发展。而光遗传技术则是近十年迅速发展起来的一项整合了光学、基因工程、电生理以及电子工程的全新的多学科交叉的生物技术。2010年《自然—方法》期刊将光遗传技术评为当年的“年度技术”;2013年《科学》杂志评论道:“光遗传技术带来了脑科学的革新,科学家们实现了用光来调控神经元活动。”


“这项技术的主要原理是首先采用基因操作技术将对光敏感的基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达,使其在细胞膜上形成特殊的对特定阴、阳离子选择性通透的通道。”王立平介绍说。


这些离子通道对不同波长的光敏感,特定波长光调控会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的,这是常规的研究手段所无法实现的。


在过去的几年中,光遗传技术在神经环路解析中的广泛应用,帮助人们回答了许多传统研究方法无法回答的科学问题。先进院脑所的主要研究方向包括脑认知的神经环路基础,脑疾病的神经环路机制以及脑科学研究新技术的研发、应用与资源共享。


“目前,先进院脑所已经建立起了完善的光遗传学技术平台,实现了从光感基因病毒载体制备、光神经界面技术、光电极阵列技术到光神经电信号处理等光遗传学技术的核心技术,其中已经获得技术专利授权的有18件;光遗传技术已经由深圳辐射到境内外的130多家实验室。”王立平介绍说。


与此同时,先进院脑所正在脑科学与脑认知领域积极参与国际前沿的竞争,他们的目标是将应用基础研究和新技术开发的研发能力在深圳生根,积极推动“脑技术”与科研、产业需求的对接,促进自主创新与国家生物产业需求的有机结合。


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