科学家揭开重要神经学奥秘：谁在指挥捕食和逃跑

《人民日报》(2018年2月9日，第19版)

论文第一作者李毅博士(左一)、通信作者罗(中)、合著者、博士生曾家伟。赵泳鑫，本报记者

罗实验室的钟伟新画了神经元的封面。由罗实验室提供

捕食和逃跑是两个瞬间的动作，对动物来说至关重要。那么，大脑的哪一部分控制着动物的猎物和逃跑？

这个重要的“总部”是由北京生命科学研究院罗实验室首先发现的。

2月2日，神经科学的*期刊《神经元》在线发表了一篇相关论文。据报道，该报的印刷版将于2月21日作为封面文章正式出版。

一个世纪前，科学家们就试图揭示捕食和逃逸的神经机制，但一直没有结果。

北京生命科学研究所研究员罗说，鱼、小鼠、猴子和人的神经系统都是由中枢神经系统和外周神经系统组成的，其中中枢神经系统通常指大脑和脊髓，大脑中的物质主要包括胶质细胞和神经细胞。神经细胞，也称为神经元，负责“下达命令”和调节整个身体的运动。神经元由三部分组成:树突纤维、细胞体和轴突纤维。树突纤维接收信号，细胞体整合信号，轴突纤维输出信号。一个大脑区域的神经元细胞体可以将其轴突纤维延伸到下一个大脑区域，从而产生神经投射——两个大脑区域相互连接，形成一个神经环路。

揭示动物捕食和逃逸的神经机制是生命科学领域的一个重要课题，但难度很大。大脑中有数千万个神经元。例如，老鼠大脑中大约有7000万个神经元，人类有860亿个神经元。不同的大脑区域和细胞类型形成多个定点连接，使得研究特定行为的神经回路变得更加困难。

大约一个世纪前，诺贝尔生理学或医学奖获得者沃尔特·赫斯用电刺激猫的外侧下丘脑，并观察到由刺激引起的掠夺性攻击。在20世纪六七十年代，外国科学家发现刺激许多不同的大脑区域可以使动物表现得像食肉动物。

"目前的刺激方法有很大的局限性."罗说，电流刺激会刺激大脑所有区域的所有神经元和神经末梢。很难准确地确定哪些神经元在哪个大脑区域起作用。

因此，科学家们已经努力寻找了一个多世纪，但他们仍然无法准确定位控制捕食和逃逸的“总部”。

经过多年的挫折，幸福从天而降。

2013年，罗的实验室搭建了一个新的实验平台，采用了新的研究方法，满怀希望地走向这个神秘的“总部”。

他们改变了以前以死动物作为猎物的研究方法，用计算机控制的*移动的物体作为老鼠的猎物目标，最大限度地模拟了动物在自然状态下的捕食行为。在这个自行设计的实验平台上，他们开始尝试寻找能够通过破坏不同大脑区域来减少动物捕食行为的关键大脑区域。

令人沮丧的是，几年后，实验没有取得多大进展。

2016年下半年，研究人员开始使用活蟋蟀作为老鼠的猎物。同时，他们利用光遗传学技术取代传统的微电流刺激，诱导动物的捕食行为。

该论文的第一作者李毅博士认为，神经元通过发出称为“动作电位”的电脉冲来传递信息。如果你想研究某个大脑区域的神经元功能，你必须首先控制神经元动作电位的发出。2006年，斯坦福大学的研究人员首次使用光遗传学技术，通过将光学技术和基因技术相结合来控制细胞行为。其基本原理是通过携带病毒在神经元中表达光敏蛋白，然后通过光纤用激光照射神经元，控制神经元动作电位的释放，从而达到激活或抑制神经元的目的。

通过文献综述，李毅和曾佳，一个博士生和论文的共同主要作者，选择了几个目标领域。之后，他们逐个刺激这些可能的大脑区域，观察动物行为的变化。

2017年1月4日，一个意外的惊喜出现了:当研究人员试图刺激小鼠外侧下丘脑(LH)的神经元时，之前对周围蟋蟀视而不见的小鼠立即转身开始追逐它们。追上后，他们按住蟋蟀并试图咬它们。该实验能强烈激活动物的捕食和攻击行为，具有很高的重复性，在不同动物中的成功率超过90%李逸说道。

这表明，过去被认为与动物的奖赏行为和觉醒行为有关的外侧下丘脑，实际上具有驱动捕食的功能。

“我看到这段视频的那一刻是我在20多年的研究中经历的最震惊的时刻之一。”罗·告诉记者:“这太突然了，平时吃饱喝足、无忧无虑的实验鼠，马上变成了我们控制下的凶猛的猎手！”

这只是走向成功的第一步。左侧大脑区域有两种类型的神经元:少量释放谷氨酸的兴奋性神经元和大量释放γ-氨基丁酸的抑制性神经元——哪种类型的神经元才是真正的“指挥者”？经过反复的激活和抑制测试，研究人员证实是抑制性神经元控制了动物的捕食行为。

“这些细胞的人工激活会导致强烈的捕食攻击，这使得整只老鼠能够攻击蟋蟀和相同的物种，以及快速移动的没有营养价值的虚拟猎物——蜡块，甚至还能让老鼠从逃避变为捕食攻击。”罗·说，“更重要的是，人工降低这些细胞的活性可以有效地减少饥饿动物的捕食行为。”

研究人员并没有就此止步。一般来说，左侧大脑区域的神经元投射到许多不同的下游大脑区域——哪个下游大脑区域接收捕食指令并传递它？

因此，必须使用选择性投射来激活某种类型的神经元。然而，这需要一种新的病毒载体——一种能够沿着轴突纤维回到细胞体的病毒载体。

2017年1月，罗实验室利用新研制的具有“返回”功能的病毒载体，在国内首次采用“双病毒携带”策略，对LH脑区的抑制性神经元进行了检测。

经过反复实验，研究人员发现位于间脑的中脑导水管周围灰质(PAG)是捕食的整合中心。例如，LH负责下达命令。PAG负责接收、分析和传输指令。

坚持不懈地努力，找到更多意想不到的结果。

下面的问题是:左侧大脑区域的抑制神经元驱动动物的捕食行为。兴奋性神经元在黄体生成素中有什么用？

在随后的实验中，研究人员特别激活了左侧大脑区域的兴奋性神经元。结果表明，这将导致老鼠强烈的逃跑行为。“即使老鼠在追逐食物，一旦它左侧大脑区域的兴奋性神经元被激活，它也会立即转身逃跑！”罗兴奋地说。

实验还表明，降低这些兴奋性神经元的活性不会影响动物的逃逸速度，但会阻碍动物的预测性逃逸行为。结果，研究人员在世界上首次发现下丘脑的兴奋性神经元控制着与风险预期相关的逃避行为。

罗·说，这部分结果是出乎意料的，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，而从未将该脑区的神经元活动与逃避联系起来。

到目前为止，罗的实验室不仅揭示了动物捕食行为的神经学基础，也揭示了动物逃跑行为的神经学奥秘。此外，已经证明捕食和逃逸这两种不同的行为实际上是由左侧和PAG大脑区域之间的同一神经回路控制的，除了抑制性神经元控制前者而兴奋性神经元控制后者。

厌食症和强迫进食的治疗有望从中受益。

上述重要发现受到国际同行的高度赞扬。

麻省理工学院的凯·泰教授说:“这些发现非常有趣。它们对我们理解攻击行为和对风险的适应性反应很重要...这些令人兴奋的数据将激起人们对进一步研究大脑如何协调这些行为的浓厚兴趣。”

纽约大学助理教授林大羽说:“这项最新研究是一个杰作。结果新颖、引人注目、令人信服，实验设计巧妙且执行完美……这些发现极大地提高了我们对下丘脑外侧功能以及捕食和逃逸的神经机制的理解。”

日内瓦大学的神经科学家克里斯汀·吕斯特说:“这项工作不仅为动物生理学提供了重要的见解，还帮助我们理解人类厌食症和贪食症的机制。”厌食和肥胖都与人们寻找食物的低或高动机有关。例如，20世纪60年代的研究表明，下丘脑损伤会导致动物模型和患者出现强烈的厌食症。此外，之前有报道称服用精神药物甲卡西酮(俗称“僵尸药”)会导致精神障碍，从而表现出类似于捕食的攻击。

罗·说，虽然现代人有能力收集和储存足够的食物，但不需要捕食行为，对人类捕食行为的神经基础的存在也有一些争议，但这并不排除人类下丘脑外侧部存在捕食性神经环路，为寻找和获取食物提供神经驱动信号。类似地，调节大脑中抑制性神经元活动的技术或药物的发展可能有助于控制厌食症或强迫进食以及其他与代谢疾病相关的不良行为。

与此同时，研究人员发现，在研究逃跑行为时，下丘脑外侧区的兴奋性神经元与动物在危险情况下的预测性应激行为有关，这也为人类应激性性功能障碍的治疗提供了新的线索。