段樹民

·述評·

先天性恐懼的神經(jīng)環(huán)路基礎

段樹民

段樹民，男，1957年10月出生，安徽蒙城人，神經(jīng)生物學家。1982年畢業(yè)于蚌埠醫(yī)學院，1985年在南通醫(yī)學院獲碩士學位，1991年在日本九州大學獲博士學位。2000年至2009年先后任中國科學院上海生命科學研究院神經(jīng)科學研究所研究員、神經(jīng)科學國家重點實驗室主任、副所長，2007年當選為中國科學院院士，2008年當選為第三世界科學院（TWAS）院士，2008年獲何梁何利科學與技術進步獎。2010年獲國家自然科學二等獎。第十一、十二屆全國政協(xié)委員、中國神經(jīng)科學學會理事長、亞太神經(jīng)科學學會主席。 Neuroscience Bulletin主編、Journal Neurophysiology、Glia、Hippocampus、Neurobiology Disease和Cell Calcium等國際雜志編委。長期從事神經(jīng)生物學研究，在神經(jīng)元-膠質(zhì)細胞相互作用、突觸發(fā)育和功能等研究領域做出系統(tǒng)的創(chuàng)新工作，在Science、Nature Cell Biology、Neuron等國際著名雜志發(fā)表系列研究論文，受到國際同行重視，促進了神經(jīng)膠質(zhì)細胞研究領域的發(fā)展。研究成果入選為2003年中國醫(yī)藥科技十大新聞，2006年中國基礎研究十大新聞。主要研究興趣是突觸形成和活動依賴性突觸可塑性的機制，尤其對星形膠質(zhì)細胞在突觸形成和活動依賴性突觸可塑性中的作用，并對膠質(zhì)細胞釋放活性物質(zhì)的機理有深入研究。

先天性恐懼；神經(jīng)環(huán)路；心理創(chuàng)傷；神經(jīng)網(wǎng)絡

一、腦是思維的器官

關于大腦的研究是非常重要的前沿問題，這是學術界普遍認同的一種觀點。Science雜志多次調(diào)查顯示，現(xiàn)今人類未解之題中排第2位的就是神經(jīng)科學的問題：意識是怎么產(chǎn)生的？

關于意識的產(chǎn)生，或者說智力的來源問題，其實從古代人們就開始關注的，醫(yī)生在這一過程中做出了重要貢獻。醫(yī)學之父希波克拉底提出，智力的來源在頭部，所有的感官都是圍繞頭部組成的。哲學家亞里士多德則認為來源于心，漢語和很多其他民族的語言中都有“心里面是怎么想的”這樣的說法。但是越來越多證據(jù)顯示，頭部受損傷后各種功能會受影響。大家最終認同的觀點是，大腦是我們智力的來源。

真正對大腦進行比較系統(tǒng)的、定位的研究，是加拿大的Penfield醫(yī)生，他做的工作為人們所熟悉。手術過程中如果有重要的功能區(qū)受損就會造成嚴重的后果，Penfield醫(yī)生在患者保持清醒的狀態(tài)下刺激不同的腦區(qū)以觀察患者反映，經(jīng)過多年的經(jīng)驗總結(jié)出現(xiàn)在人們所熟悉的感覺和運動的腦區(qū)[1]。這是一項非常杰出的工作，實現(xiàn)了大腦的功能定位。

二、神經(jīng)環(huán)路是腦高級功能研究的關鍵點和難點

對于基礎研究工作者來說，僅僅是大腦功能定位還遠遠不夠。為什么這些腦區(qū)能夠產(chǎn)生復雜的功能？比如為什么能夠產(chǎn)生語言，比如神秘的意識或者說靈魂。許多基礎科學家就認為這些都是可以還原的。例如DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)者，后又轉(zhuǎn)到神經(jīng)科學的科學家Crick認為所有重要復雜的神經(jīng)功能都能還原到基本的細胞、突觸甚至分子水平，如果綜合這些神經(jīng)活動機理能夠解釋神經(jīng)功能的話，就說明我們真正解開了智力的密碼。

這些年神經(jīng)科學的基礎研究很多是以還原這種方式進行的。就大家非常熟悉的神經(jīng)元來說，單個神經(jīng)元的編碼就是動作電位，動作電位發(fā)動的頻率其實就是編碼的形式，神經(jīng)元和神經(jīng)元的信息傳遞經(jīng)過突觸，突觸的傳遞機制也了解得非常清楚。但我們對這些了解清楚以后是否就可以解釋復雜的神經(jīng)系統(tǒng)功能呢？還是不能。因為我們對神經(jīng)環(huán)路了解得還很少。大腦是由1012個不同種類的神經(jīng)細胞組成，通過1015突觸形成有功能的各種神經(jīng)網(wǎng)絡，神經(jīng)纖維總長度達數(shù)百萬公里，對神經(jīng)元互相之間的活動機理研究才是腦高級功能研究的關鍵點和難點[2]。然而近百年來，對于神經(jīng)環(huán)路我們幾乎沒有辦法對它進行研究，因為神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)太復雜了。

Crick在20世紀70年代曾提出，我們之所以不能對神經(jīng)網(wǎng)絡進行解析是因為我們不能特意地去操控某一類的神經(jīng)元。神經(jīng)網(wǎng)絡中的神經(jīng)元是可以分類的，現(xiàn)在可以分為十幾類或者幾十類，未來隨著分子生物學的進展，甚至可以分為幾百類甚至上千類。如果我們能在復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡中對每一類神經(jīng)元的功能進行研究，然后綜合分析，就有可能做到對神經(jīng)網(wǎng)絡進行精細地解析。所有的神經(jīng)元都對電敏感，所以不能使用電對神經(jīng)元進行調(diào)控，因此Crick就提出，我們是否可以用光來對神經(jīng)元進行調(diào)控。例如用遺傳學的方法，在某一類神經(jīng)元上用光敏感的蛋白來控制興奮性，這樣就可以選擇性地調(diào)控腦內(nèi)某一類細胞的活動[3]。這一觀點的基礎在于對光敏感的蛋白，而這種蛋白也是確實存在的，就在眼的視網(wǎng)膜。視網(wǎng)膜中有視錐細胞和視桿細胞，對光是敏感的，因為其中有一種對光敏感的蛋白叫視紫蛋白。視紫蛋白本身不能對神經(jīng)元興奮性改變，必須通過第二信使調(diào)控離子通道改變神經(jīng)元的興奮性?？茖W家試圖用遺傳學的方法，把這些光敏感蛋白轉(zhuǎn)染至大腦其他部位用來調(diào)整這些神經(jīng)元的興奮性，但都沒有成功。因為該類蛋白轉(zhuǎn)至其他神經(jīng)元之后的匹配結(jié)果并不理想，該蛋白無法控制離子通道的活動。這種情況直至2003年一位德國科學家在藻類中發(fā)現(xiàn)對光敏感的離子通道之后才得以改變。

也就是說光敏感的蛋白本身就是離子通道，離子通道就能夠控制細胞的興奮性。美國科學家Deisseroth利用遺傳學方法把光敏感通道轉(zhuǎn)染到想控制的神經(jīng)元[4]。這方面的發(fā)展非?？?，新的手段可以把神經(jīng)元進行精細的分類，也可以把想轉(zhuǎn)染的蛋白進行追蹤，把整個神經(jīng)元上下游追蹤出來，非常有效。

微觀環(huán)路解析等方法的發(fā)展也非?？欤瑥墓δ艿叫螒B(tài)都可以做到十分精細的解析[5]?，F(xiàn)在全球都掀起一股腦科學計劃的熱潮，正是因為這些新技術的進展，使我們看到在腦網(wǎng)絡水平上解開智力密碼成為可能。美國最早在2013年提出腦科學計劃并產(chǎn)生廣泛的影響，但其執(zhí)行的經(jīng)費并不多，而且大部分來源于軍方。為何軍隊會對該項計劃感興趣？是因為隨著現(xiàn)代軍事技術的發(fā)展，大腦潛能的開發(fā)對軍隊和戰(zhàn)爭的影響是非常大的，例如美軍依托新墨西哥州立大學研制顱直流電刺激技術，極大提高士兵訓練效果和效率；美軍開發(fā)先進腦機交互系統(tǒng)，也是旨在2050年前實現(xiàn)對意識的高通量實時讀出和寫入，從而令軍事訓練效率倍增。

三、恐懼和心理創(chuàng)傷

關于“恐懼”情緒的研究也是與軍隊十分相關的一項研究。首先，恐懼心理的消除可以極大地提升軍隊在戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)斗力，其次戰(zhàn)爭以后的心理創(chuàng)傷的修復都和恐懼的研究相關?？謶直旧硎且环N情緒，屬于潛意識的范疇。如果把人的意識比作冰山的話，智商就是浮在水面上的一角，在水面下的更重要的潛意識的功能，我們了解其實是很少的。人們對于很多高級認知的研究還比較多，例如思維、語言、數(shù)學和音樂等方面，但對于潛意識的研究，尤其是關于情緒的研究，則相對較少。當然，以往的研究方法和手段較少也是造成這種結(jié)果的原因之一?？謶纸o人所產(chǎn)生影響是很大的，由恐懼產(chǎn)生焦慮、失眠、抑郁甚至導致自殺，因此恐懼有時會嚴重危害人的身心健康。

恐懼可以分為先天性恐懼和條件性恐懼，條件性恐懼又可稱為獲得性恐懼或后天性恐懼。一朝被蛇咬十年怕井繩，就是典型的條件性恐懼。對于條件性恐懼的研究是比較多的，人們對其相應的神經(jīng)環(huán)路也了解得比較清楚。情緒控制中樞主要在邊緣系統(tǒng)，前額葉和小腦也有一定的關系。與恐懼尤其是條件性恐懼相關的主要是杏仁核。

先天性恐懼則是與生俱來的，并不是從某種經(jīng)歷中獲得的。例如恐高癥，并不需要人經(jīng)歷摔下去的過程，而是天生就會產(chǎn)生的一種情緒，再例如老鼠對貓的恐懼，也是一種先天性的恐懼，這種先天性恐懼給人帶來的影響會更大。對于先天性恐懼具體與哪種核團相關，我們進行了一項研究，用老鼠天敵狐貍的味道來刺激老鼠以觀察c-fos表達，c-fos在哪里表達就表示該處的神經(jīng)元被興奮了。研究中可以發(fā)現(xiàn)了許多我們已知的和恐懼相關的腦區(qū)，引起我們注意的是以前沒有發(fā)現(xiàn)的外側(cè)背蓋核（laterodorsal tegmental nucleus，LDT）腦區(qū)[6]。LDT過去被認為是膽堿能上行激活系統(tǒng)，是維持覺醒、調(diào)節(jié)睡眠的系統(tǒng)，一直認為是與恐懼是無關的。一直以來，人們都認為在LDT中最主要的神經(jīng)元是膽堿能神經(jīng)元，但在神經(jīng)網(wǎng)絡里絕對不止存在一種神經(jīng)元。通過定位研究發(fā)現(xiàn)，在LDT區(qū)域中被c-fos激活的神經(jīng)元并不是膽堿能神經(jīng)元，而是抑制性神經(jīng)元，谷氨酸能神經(jīng)元和γ-氨基丁酸（γ aminobutyric acid，GABA）能神經(jīng)元。一般來說引發(fā)一種行為或活動的神經(jīng)元都是興奮性神經(jīng)元，所以抑制性神經(jīng)元被興奮以后產(chǎn)生某種行為讓我們非常意外。我們用光遺傳學的方法做進一步的研究，用光敏感通道表達在LDT的GABA能神經(jīng)元上，從而用光控制GABA能神經(jīng)元來觀察是否會產(chǎn)生恐懼反應。研究發(fā)現(xiàn)自由活動的老鼠在藍光刺激時立刻就會產(chǎn)生一種癱瘓的反應，是和老鼠看到貓時的本能反應是一樣的，藍光取消之后老鼠馬上又開始活動起來。通過肌電圖和腦電圖排除睡眠或癲癇的可能，證明老鼠在受到藍光刺激時確實會引發(fā)恐懼活動。

恐懼活動的表現(xiàn)包括防御反應，制動（癱瘓）、逃跑、攻擊；植物神經(jīng)反應，心跳、血壓的改變；應激激素分泌；焦慮行為。研究結(jié)果證明興奮GABA能神經(jīng)元能產(chǎn)生恐懼反應。

雖然都屬于抑制性神經(jīng)元，但不同的神經(jīng)元通過不同的標記，GABA能神經(jīng)元還可以進一步分類。例如LDT核團中可以分為生長激素抑制素（somatostatin，SST）神經(jīng)元和小白蛋白（parvalbumin，PV）神經(jīng)元，表達不同的蛋白[7]。這兩類神經(jīng)元的功能看起來是一樣的，釋放GABA能神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生抑制性突觸后反應，我們就通過研究來觀察分別控制的兩類神經(jīng)元的反應是否一致呢？首先我們用PV神經(jīng)元來表達光敏感通道，產(chǎn)生的就是一種恐懼的癱瘓反應，讓人意外的是刺激SST神經(jīng)元之后，老鼠不但沒有恐懼反應，還會產(chǎn)生抗恐懼反應。同樣面對天敵狐貍的味道，興奮SST神經(jīng)元之后，老鼠仍然表現(xiàn)出對狐貍味道的不喜歡，但其行為已發(fā)生變化，可以自由活動，這就說明其恐懼心理是被克服了的。所以研究發(fā)現(xiàn)，雖然同為抑制性神經(jīng)元，但興奮之后所帶來的反應是不一樣的[8]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，以往認為是和睡眠、學習相關腦區(qū)LDT的GABA能神經(jīng)元包含有兩類神經(jīng)元，并且對恐懼產(chǎn)生兩種完全相反的作用，一類是引起恐懼反應，一類是拮抗恐懼反應。

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[7]Capogna M.GABAergic cell type diversity in the basolateral amygdala Marco Capogna[J].Curr Opin Neurobiol,2014,26: 110-116

[8]McCullough KM,Morrison FG,Ressler KJ.Bridging the gap: towards a cell-type specific understanding of neural circuits underlying fear behaviors[J].Neurobiol Learn Mem,2016,135: 27-39.

2016-11-09）

（本文編輯：張麗）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2017.01.001

310058杭州，浙江大學醫(yī)學部

段樹民，Email：duanshumin@zju.edu.cn

段樹民.先天性恐懼的神經(jīng)環(huán)路基礎[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2017,3(1):001-003.