食、色、性与我们的大脑

作者: 王立平

来源: SELF格致论道讲坛

发布日期: 2020-03-20 12:00:00

本文探讨了大脑的本能行为及其与生存、情绪、理性等功能的关系,介绍了光遗传学在解析大脑工作机制中的应用,并讨论了本能行为与精神疾病的关联,强调了理解本能行为对类脑智能技术发展的重要性。

对本能行为的理解,将在很大程度上帮助人们揭开大脑的神秘面纱,让人们了解到底大脑的本底结构特征,哪些能力能在未来被开发利用,能为真正模拟人脑的类脑智能技术提供一些新的研究线索。

王立平,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所所长,深港脑科学创新研究院院长,指出人的本性就是吃。除了吃,大脑还有很多其他基本的功能去维持机体的正常运行。其中最主要的功能是要保证机体生存,只有生存下来才能进行其他的学习,获得其他更高级的功能。任何生物的延续都需要从吃开始。没有食物,就要捕获食物;而作为被捕食者,就要学会防御。吃饱后就睡觉,睡醒后就会想其他一些美好的事情,比如求偶。

生物学家把大脑分成了爬行脑、情绪脑和理性脑。本能行为由大脑主宰。如果你正在一条小巷中散步,突然蹿出来一条狗,你会怎么做?跑!如果周围正好有一扇开着的门,不管这户人家你认识与否,可能最好的办法就是跑进去、藏起来。做出这种行为就是动用了爬行脑。所有的动物都有类似爬行脑的大脑功能,用以维持基本的生理活动——防御天敌。

如果后来你非常荣幸地碰到了一位美女,并且和她发生了一些浪漫的故事。回忆起这个故事,你感觉非常美好。当然,也许有人的感受并不美好,因为那位美女骗走了他的1000元钱。感觉好或不好,就动用了你的情绪脑。在这个巷子里行走的时候,你数出这里有175个酒吧,20个卖水的地方,它们加在一起的数量是195个,这个时候,你就动用了你的理性脑。理性脑是后期获得的能力,从而形成的一种理性概念。

而我今天讲的行为都是不需要学习,天生就有的。比如婴儿天生就有的手掌抓握反射、吮吸行为等,这都是本能行为。几千年前我们的祖先就已经把本能行为定义得非常清楚了——饮食男女,食、色、性也。这些是人的本性,不需要后天去学习,大脑的基本功能之一就会去执行、去负责、去管理这样的行为,以便让我们能够生存下来,然后再学习其他东西。

1973年诺贝尔生理学奖得主、动物学家洛伦兹曾从生态行为学的角度定义本能行为——未经学习的婴幼动物就具有的一些基本能力(包括进攻、防御、进食、睡眠、生殖、求偶等);在同一物种的个体间变化不大,且在不同的环境中保持相对稳定;对个体的生存和物种的繁衍非常重要。本能行为都由大脑负责。

大脑是一个非常复杂的物体,如果说浩瀚的宇宙中有1000亿颗行星,那大脑中就有1000亿个神经元,大脑和宇宙一样复杂,一样深不可测。大脑的复杂性堪比浩瀚的宇宙。说它复杂不仅仅因为神经元的数量多,还因为神经元之间的连接特征非常复杂,细胞种类非常复杂。

我们常常把大脑比喻成一个黑箱子,我们不知道里面是什么结构,所以我们只能通过这种方式去了解大脑。比如我们先记录一个小孩正常行为下的脑电图,然后让一条狗来追他。孩子肯定会跑,那么他是一边跑一边喊,还是选择躲在什么地方呢?这些行为会动用大脑的什么功能呢?通过记录脑电图等发生的变化去研究大脑中的哪些细胞、哪些核团、哪些脑区可能参与了这些行为,进而解析大脑运行的一些基本规律。

在这么复杂的神经网络中去解析大脑运行的规律,当然很难。1000亿个神经细胞中,有那么多的种类,那么复杂的连接方式;如果将其中神经纤维首尾相连,可以绕地球4圈多,现在却集中在一个1.5千克重的脑空间里。我们该怎么去解析呢?生物学家们发现了一个新方法。

人体中本来是没有感光细胞的,但我们利用基因工程,将某一物种中的感光基因植入到大脑中特定的神经元上,然后再将一根光纤插进大脑中,当光纤照射的时候,光照虽然照到了所有的神经元,但只有被植入了感光基因的神经元能对特定波长的光起反应。

通过光遗传神经调控技术,我们去调控这些神经元,看它们能不能刺激大脑做出某些行为,如果能,就表明我们可以精准地调控某些动物的某些功能。比如这只小黑鼠和这只小白鼠,它们原本是好朋友,关系非常亲密。但就是因为小黑鼠的脑里被植入了感光基因,所以被光调控后的小黑鼠现在正拼命地撕咬小白鼠。光刺激下丘脑某类负责进攻的神经元。

同理,我们也会找到负责其他行为的那些神经元。恐惧在本能中或许拥有至高无上的地位。和其他本能相比,恐惧或许拥有绝对的、至高无上的地位。因为如果动物没有恐惧这种本能,它可能就会失去生命。我们实验室也一直关注动物到底是怎么产生恐惧本能的。

为了更好地解析本能恐惧的神经环路机制,我们用一把电极带着已经插到脑区里的光纤去调控提前改造好的光感基因,调控的时候同时记录脑区发生的变化。我们还可以把另外一把电极放在另外一个脑区,去观察脑区之间会产生什么联系,从而研究到底是哪些神经元负责机体做出不同的防御行为。

如果大家去我的实验室做实验,都会得到相关的数据。我们没有真的拿老鹰做实验,而是模拟了老鹰袭击时的阴影刺激。光遗传学如何解析大脑的工作?大脑中一类细胞控制本能恐惧反应:光遗传诱发持续性本能冻结行为。为了解答这个问题,我们用了很多年的时间。

后来我们发现,原来并不是那群穿白衣服的男士们干的,而是中间穿红衣服的女士们干的。于是我们拿光去调控这群穿红衣服的女士(一群细胞)。果然,实验动物开始装死了。这说明这群细胞感受到了来自外界的刺激,而且这种刺激的信号对生物具有威胁性。

而如果我们换一个刺激信号,比如模拟鸽子在上空盘旋,就会发现,小鼠根本不受影响,它该干什么还是在干什么。这样一来,我们就能精准地找到负责相关行为的神经元,并解析出非常精准的防御路线。

我们还发现有一类细胞是跟逃跑的本能相关。怎么找到这些细胞呢?只要打热光,动物毫不犹豫地跑回去,就跟刚才老鹰袭击它的时候的天然反应是高度一样。于是,我们就怀疑这群细胞跟逃跑的本能相关。大脑控制着机体所有的行为。

我们的本能行为和精神疾病有着密切的关系。比如人们应该按照正常的规律去吃饭,但如果某人本来很苗条,她自己却不这样认为,于是一直节食,最后得了神经性厌食症。相反,如果一个人抵抗不了汉堡的美味诱惑,一直吃一直吃,最后也会得病。现代人面临着很大的压力,这种压力应激远不只是让你心情不好,而且会持续地影响你的很多行为,包括生殖的能力,甚至有可能影响到下一代。

研究大脑,理解本能,理解其他复杂的、高级的认知功能的目的,一是希望能够帮助治疗一些疾病。现在全球医疗负担重,每年会消耗近10000亿美元的费用用于治疗10亿精神病患者。二是希望能利于类脑智能技术的发展。对本能行为的理解,将在很大程度上帮助人们揭开大脑的神秘面纱,让人们了解到底大脑的本底结构特征,哪些能力能在未来被开发利用,能为真正模拟人脑的类脑智能技术提供一些新的研究线索。

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