發(fā)布時(shí)間：2022-01-11
作者：中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 王飛?來(lái)源：科學(xué)大院
貓頭鷹捕捉地上的老鼠?
（圖片來(lái)源：Tom Samuelson，國(guó)家地理）?
有一天，貓頭鷹看到地上有老鼠，就悄悄地飛了下來(lái)。老鼠扭頭一霎那間，就看到一個(gè)黑影向它撲來(lái)，這時(shí)的它像是被冰封了——本來(lái)舉起的小胳膊也放不下了，翹起的尾巴還懸在空中。而此時(shí)的貓頭鷹，突然失去了目標(biāo)，隨即調(diào)轉(zhuǎn)方向，飛向了另外一個(gè)樹(shù)干。?
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十分鐘的僵直后，老鼠的腦子里才有了恐懼的感覺(jué)，它一溜煙地跑進(jìn)了窩里，腦袋朝向洞口，身體蜷縮著。過(guò)了好久，它才敢探出腦袋，看看外面還有沒(méi)有危險(xiǎn)。?
其實(shí)，不僅老鼠有這種遭遇，很多動(dòng)物都有類似的經(jīng)歷。在動(dòng)物的世界里，有一種刻在基因里的恐懼。當(dāng)動(dòng)物被快速逼近的黑影驚嚇時(shí)，或者會(huì)變成“僵尸”，保持一動(dòng)不動(dòng)數(shù)十分鐘；或者瘋狂逃跑，以最快的速度躲進(jìn)安全的地方。此外，還會(huì)有很多恐懼相關(guān)的癥狀出現(xiàn)，比如：嚇得屎尿齊飛，心跳驟增等等。而且，這種恐懼過(guò)后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，它們都不敢輕易走近碰到“鬼”的地方。
那么，動(dòng)物們?yōu)楹螘?huì)對(duì)一個(gè)變大的黑影產(chǎn)生恐懼呢？這種恐懼又來(lái)源于哪里，是如何被激發(fā)的呢？
逃跑和裝死，竟然是?
祖宗傳下來(lái)天下最快的武功?
為了弄清楚這種恐懼的來(lái)源，研究人員開(kāi)始了大膽的猜想和精密的實(shí)驗(yàn)。首先，他們認(rèn)為這明顯是一種提高動(dòng)物生存率的行為：老鼠在貓頭鷹撲來(lái)時(shí)被“凍住”了，才得以躲過(guò)貓頭鷹的獵殺；當(dāng)看到拍打它的黑影時(shí)，蒼蠅突然跳起飛走，才得以快速逃脫獵殺者的掌心。這種防御行為可以讓動(dòng)物在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)突然出現(xiàn)的危險(xiǎn)做出反應(yīng)，以最為簡(jiǎn)單有效的方法保全自己的性命。
實(shí)驗(yàn)室里研究不同動(dòng)物對(duì)逼近黑影刺激的反應(yīng)?
?。▓D片來(lái)源：F. Claire Rind and Peter J. Simmons, 1999. Trends Neurosci、?
Hiroshi Ishikane et al.?2005. Nature Neuroscience、Pengfei Wei et al. 2015. Nature Communications）?
從進(jìn)化的角度來(lái)看，很容易理解為什么這種反應(yīng)會(huì)被直接編碼到基因里——如果幼年動(dòng)物需要學(xué)習(xí)這種反應(yīng)的話，在第一次遇到危險(xiǎn)時(shí)可能就已經(jīng)喪生了。只有將這種對(duì)危險(xiǎn)的快速反應(yīng)刻在基因里傳給下一代的動(dòng)物，才能最有效地保證幼年動(dòng)物的存活，使整個(gè)物種在激烈的進(jìn)化競(jìng)爭(zhēng)中取得勝利。而恐懼往往是這種本能防御行為的副作用，在動(dòng)物產(chǎn)生防御行為后，恐懼會(huì)給它們留下深刻的印象，讓它們記住這種危險(xiǎn)的存在。?
天下武功，唯快不破。這種保命本領(lǐng)的秘訣之一就是一個(gè)“快”字。在捕獵者眼中，被捕食動(dòng)物永遠(yuǎn)是弱小的存在。不過(guò)，它們卻從祖先那里繼承了天下最快的武功：僵直術(shù)和逃跑術(shù)。這些武功甚至都不需要經(jīng)過(guò)大腦皮層，而是在自己都沒(méi)有意識(shí)到的情況下就第一時(shí)間施展出來(lái)，給動(dòng)物們留下寶貴的保命時(shí)間。
老鼠見(jiàn)了貓快速地逃跑
?。▓D片來(lái)源：AmazinglyTimedPhotos.com）
想活命，除了走高速，還要架電纜?
那么，為何這門(mén)保命的絕學(xué)能這么快呢？
其實(shí)，在動(dòng)物的腦子里有一條高速路，直接將危險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)。這條高速路從眼睛開(kāi)始，將危險(xiǎn)信號(hào)傳輸?shù)侥X中一個(gè)叫上丘的地方，然后兵分兩路，一路到指揮運(yùn)動(dòng)的腦區(qū)，啟動(dòng)防御行為；另外一路到負(fù)責(zé)恐懼的腦區(qū)杏仁核，產(chǎn)生恐懼情緒。這樣，危險(xiǎn)信息就不用先通過(guò)大腦皮層處理，再經(jīng)由運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)來(lái)輸出行為。信息傳遞通路也大大縮短，使得動(dòng)物不經(jīng)過(guò)思考就能做出行動(dòng)，有了下意識(shí)一樣的反應(yīng)。
從視網(wǎng)膜到腦中的高速通路?
?。▓D片來(lái)源：Lynda Erskine and Eloisa Herrera, 2007, Developmental Biology）?
如前所述，在動(dòng)物啟動(dòng)腦中的快速通路之前，需要由眼睛先檢測(cè)到危險(xiǎn)。如果視覺(jué)出了問(wèn)題，動(dòng)物們是很容易被捕食者吃掉的。問(wèn)題又來(lái)了：視覺(jué)系統(tǒng)如何快速檢測(cè)到危險(xiǎn)的存在呢？這種檢測(cè)需要視網(wǎng)膜中的所有細(xì)胞來(lái)參與嗎？檢測(cè)這種危險(xiǎn)信號(hào)和通常情況下看東西的機(jī)制一樣嗎？
實(shí)際上，在視網(wǎng)膜中有一類很大的細(xì)胞。它們伸出長(zhǎng)長(zhǎng)的肢體，形成一張寬大的網(wǎng)，像巨型雷達(dá)一樣捕捉著視野中的信號(hào)。除了向大腦提供黑白、顏色等信息之外，這個(gè)細(xì)胞還有另外一種不為人知的功能，那就是檢測(cè)逼近的黑影刺激。通過(guò)向腦中發(fā)射電信號(hào)，它們能告訴下游的細(xì)胞，現(xiàn)在逼近的黑影有多大，是否應(yīng)該準(zhǔn)備行動(dòng)。
這類細(xì)胞不僅有寬大的樹(shù)突，還有一根粗大的軸突，也就是將信號(hào)傳輸?shù)侥X子里的“電纜”。這條電纜有特殊絕緣外層包裹，比其他電纜傳輸速度更快，可以說(shuō)是第一個(gè)將信號(hào)報(bào)告給大腦的。有了這類細(xì)胞，眼睛就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逼近黑影特異的檢測(cè)和快速報(bào)告了。
小鼠視網(wǎng)膜中的阿爾法細(xì)胞?
?。▓D片來(lái)源：中科院神經(jīng)所張翼鳳實(shí)驗(yàn)室）?
如何捕獲并馴服一種細(xì)胞
值得一提的是，人們對(duì)這類細(xì)胞的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。雖然很早人們就在貓的眼睛里發(fā)現(xiàn)了這種細(xì)胞，將其命名為阿爾法細(xì)胞（取“第一、開(kāi)端”之意）；但是這類細(xì)胞零散地分布在視網(wǎng)膜中，每次研究員們只能隨機(jī)抓取一個(gè)阿爾法細(xì)胞，能不能碰見(jiàn)下一個(gè)，完全靠運(yùn)氣?？墒?，如果不能進(jìn)行精確區(qū)分，也就沒(méi)辦法將它們?nèi)刻舫鰜?lái)進(jìn)行控制。所以，如何捕獲并馴服這類細(xì)胞，成了研究者最大的挑戰(zhàn)。
得益于深入的基因研究，研究者找到了在一部分阿爾法細(xì)胞（瞬時(shí)撤光型阿爾法細(xì)胞）中特異表達(dá)的一個(gè)基因。這種特異表達(dá)的基因就如細(xì)胞的名字一樣，可以讓研究者輕松地把細(xì)胞“叫”出來(lái)。并可以每次只叫出這群細(xì)胞去干活，而不打擾其他細(xì)胞的工作，這樣，捕獲的問(wèn)題就解決了。
那么，研究者是如何馴服這類細(xì)胞的呢？首先，他們讓這群細(xì)胞乖乖地歇著，同時(shí)令眼睛中的其他細(xì)胞保持正常工作，此時(shí)的老鼠在看到逼近黑影時(shí)竟然不害怕了。在這之后，研究者讓這群細(xì)胞向腦中發(fā)出假的警報(bào)信號(hào)，這時(shí)，雖然并沒(méi)有逼近的黑影，但是老鼠仍然傻乎乎地逃跑了，而且被嚇得不要不要的。這些實(shí)驗(yàn)證明，視網(wǎng)膜中的瞬時(shí)撤光型阿爾法細(xì)胞就是向腦中報(bào)告逼近黑影刺激的細(xì)胞。
通過(guò)控制小鼠視網(wǎng)膜中的阿爾法細(xì)胞來(lái)控制小鼠的恐懼行為（圖片來(lái)源：Fei Wang et al. 2021, Current Biology）?
眼睛里的報(bào)警專線?
不過(guò)，這又涉及到一個(gè)問(wèn)題——眼睛每時(shí)每刻都在觀察著外面的世界，向大腦提供視覺(jué)成像，通過(guò)這些精細(xì)的圖像就可以讓動(dòng)物看到危險(xiǎn)來(lái)臨，那為何還需要一個(gè)專門(mén)的通道來(lái)報(bào)告危險(xiǎn)信息呢？就如我們已經(jīng)擁有了功能豐富的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，還需要報(bào)警電話嗎？
其實(shí)是需要的，如果信息太多，我們就很難將要點(diǎn)從繁如星海的信息中找出來(lái)。保留報(bào)警電話才可以專門(mén)檢測(cè)危險(xiǎn)刺激，在不混淆其它無(wú)用信息的前提下，將有關(guān)信息直接傳輸給相關(guān)部門(mén)，后者才可以派出機(jī)動(dòng)部隊(duì)，進(jìn)行救援和保護(hù)。其實(shí)在人類社會(huì)中，這種機(jī)制早已存在。比如，在體系中，他們的偵察系統(tǒng)只關(guān)注敵軍的動(dòng)態(tài)，收集相關(guān)信息，快速上報(bào)。
同理，動(dòng)物眼睛中的專門(mén)通道就如同報(bào)警電話，它們只負(fù)責(zé)檢測(cè)逼近的黑影，并以最快的速度將危險(xiǎn)信息傳輸?shù)截?fù)責(zé)防御行為的腦區(qū)。這樣一種報(bào)警專線加上快速反應(yīng)系統(tǒng)，使得動(dòng)物們可以很好地躲避捕食者的偷襲。
一只狐貍出其不意地向一只土撥鼠發(fā)動(dòng)攻擊（圖片來(lái)源：鮑永清，2019年度野生動(dòng)物攝影師大賽獲獎(jiǎng)作品）?
現(xiàn)在我們知道了，逼近黑影導(dǎo)致的恐懼是一種天生的行為，為一代又一代的動(dòng)物爭(zhēng)取到了在危機(jī)時(shí)刻生存下來(lái)的機(jī)會(huì)。雖然在今后的日子里，動(dòng)物們還會(huì)被這種逼近的黑影嚇得魂飛膽破，但是它們的經(jīng)歷讓人類對(duì)大腦的危機(jī)處理機(jī)制有更多的了解。隨著研究者對(duì)大腦的理解更為深入，他們就能解釋更多的動(dòng)物行為，并為人類的疾病治療提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
2021年4月1日，關(guān)于逼近黑影導(dǎo)致動(dòng)物恐懼的視網(wǎng)膜機(jī)制的研究發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上。這個(gè)題為《瞬時(shí)撤光型α視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞介導(dǎo)逼近視覺(jué)刺激觸發(fā)的本能防御反應(yīng)》的研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）張翼鳳研究組歷經(jīng)八年攻關(guān)完成。?
該研究通過(guò)篩選瞬時(shí)撤光型α視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的分子標(biāo)志物并構(gòu)建能夠標(biāo)記及操控該細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)這類細(xì)胞可以編碼逼近視覺(jué)刺激的大小，并且介導(dǎo)了逼近視覺(jué)刺激觸發(fā)的小鼠本能防御反應(yīng)。此研究首次找到了標(biāo)記瞬時(shí)撤光型α視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的分子標(biāo)志物，并證明這類神經(jīng)元構(gòu)成了視網(wǎng)膜中的一條警報(bào)專線，用于通過(guò)皮層下通路快速引起小鼠的防御反應(yīng)。?
參考文獻(xiàn)：?
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