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    食、色、性与我们的大脑

    “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。”

    薛定谔说的是对的,“人的本性就是吃”。不过除了吃,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。

    照片中的这个帅哥,美女走过去了,他还会回头再看看,其实这都是非常本能的反应。或许他会跟女朋友解释,说自己并不是为了看美女,只是想看看她穿的裙子后面有什么图案。

    这也说明他可能在探索一个非常新奇的东西,而这种探索的能力,也是非常本能的,与生俱来,不需要去学习。

    照片中公狮和母狮的交配,老虎妈妈对老虎宝宝的关爱……这些都是非常本能的行为,正是这样才有了下一代,才能保证物种的生生不息。

    爬行脑、情绪脑和理性脑

    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,不管这户人家你认不认识,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。

    在这个巷子里行走到的时候,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。

    这段视频显示了一个正在走路的女士突然被别人一吓,条件反射地跳了起来,然后转身就跑。有人说“跳”这个动作是后学的,不是天生就会的。“跳”这个动作或者能跳多高或许是后期习得的或训练的,但能够做出这种动作却是下意识产生的一种防御性行为。

    再来看这只正在草丛中找东西吃的小鼠,如果它只专注于找食物,而没有能力防御老鹰的话,它肯定早就成为了老鹰的食物。

    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。

    解析大脑与动物的本能

    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。

    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。

    举个例子,我们把这个报告厅比喻成大脑,将报告厅中穿白衣服的男生定义为某一类神经元,但这个角落穿白衣服的男生和那个角落穿白衣服的男生所负责的事情可能就是不一样的。

    1000亿个神经元在不同的脑区有不同的功能,呈不同的分布特征,有不同的遗传特征,这些构筑了大脑非常复杂的神经网络。这些神经网络执行着复杂的生理功能,包括本能行为。

    怎么解读大脑的功能呢?最常用的方法就是给大脑一个信息输入,然后进行信息读取。这就好比你打一下旁边的人,给他一个信息输入,然后看他的反应——他可能打你一下,或者是躲一下。

    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。

    这种方法就像踩刹车、油门;用不同的光敏感的基因,我们就可以实现蓝色光能让这群神经元兴奋起来,而黄色光能抑制这群神经元。用一束蓝光或一束黄光就可以非常精准地调控(兴奋或抑制)大脑中复杂的神经网络体系了。

    这些神经元到底要干什么?它们对大脑有什么贡献?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。可以想象,如果小白鼠的个头很小,它一定会被咬死。

    光刺激下丘脑某类负责进攻的神经元(ESR1)

    加州理工学院 David Anderson’lab (Cell, 2014)

    后来科学家制作了一个类似蟑螂的机器人,原本小黑鼠看到它还觉得很好玩,并没有产生去咬死的冲动。但只要打上一束光,小黑鼠就开始拼命地抓捕它。通过这种方法,我们就可以找到大脑可能负责捕获猎物的神经元。

     光刺激丘脑一类神经元控制捕食(ZI的GABA神经元)

    上海科技大学沈伟实验室(Nature Neuroscience, 2019)

    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

    还是举被狗追的例子。如果你正在咖啡店里喝咖啡,享受着美妙的时光,这时闯进来一群狗,你会怎么办?你要不就钻到桌子底下,要不就跑到其他房间去,这个时候你是绝对不会再继续享受你的美妙咖啡时光的。

    所以,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。

    同理,如果你正在打盹,突然传来几声狗叫,你也不会继续睡觉,你也会弄清楚到底发生了什么。不过大脑中到底是哪些神经元负责人们做出相关的动作(不同大脑状态之间的精准切换),至今还是个谜。

    我们实验室也一直关注动物到底是怎么产生恐惧本能的。这些鱼正在沙滩边晒太阳,突然一只老鹰俯冲下来,鱼儿们纷纷快速逃跑。

    可不幸的是,有一条鱼跑慢了,于是它成为了老鹰的美食。

    再看一个视频。老鹰又来了,这两条鱼中的一条选择马上装死,另一条选择马上逃跑。而且,只要老鹰的影子刚一闪,那条鱼就已经开始逃跑了。

    大家想,它有时间弄清楚这只老鹰有几个爪子,它长没长牙齿吗?没时间。因为那会降低它逃跑的速度。所以想生存下来,首先就要做到精准、及时、快速地防御天敌的袭击。

    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。我们希望这样做,能够把1000亿个神经细胞构成的复杂网络解读得相对清楚些。

    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。

    有窝逃跑

    如果这只小鼠没有地方可躲,它就会选择装死,先躲过一劫。

    无窝冻结(装死)

    这也是为什么我们总说,如果遇到狗追你,你千万不要跑,因为你跑不过狗的。什么时候可以跑呢?离门很近的时候就一定要跑。

    你做出这些本能反应不需要想太久,因为想久了,腿就被咬了。所以大家看到,老鹰来了后,这只小鼠并没有想很久。而如果没有地方可躲,它就会选择装死。

    所以我们得出这样的规律:有地方可躲,就马上躲进去,不再轻易出来;没地方可躲,就选择装死。

    光遗传学如何解析大脑的工作

    那么,光遗传学到底是如何在脑子里找到这群细胞的呢?

    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(上图中白色区域)干的,而是中间穿红衣服的女士们(上图中红色区域)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。

    人们在鱼、猴子身上都做过这类实验,都具有精准的重复性。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。

    另外一类神经元:光遗传调控本能逃跑反应

    大脑控制着机体所有的行为。

    我们的大脑精准地控制本能恐惧行为

    图中蓝色的部分是上丘,是感知觉的中心。它就像一个整合器,收到感知觉信息后,就会往下传,大脑也被分成了不同的层,不同种类的细胞扮演着不同的角色。

    再来看一个视频。我们看到这只青蛙正在捉蚯蚓,但是非常可惜的是,“螳螂捕蝉,黄雀在后”——一辆汽车朝它碾压了过来。命丧车轮的青蛙到底哪里做错了?是贪吃,还是脑回路出现了问题?

    有人说,它应该像前面提到的鱼和老鼠一样,一感受到车辆的光亮就逃跑。但是它跑得了吗?它根本来不及跑,因为车速太快了。所以这只青蛙犯的错在于,它不应该来到马路上,它应该在沼泽地、在草丛里活动。

    这也再次告诉我们,如果某种生物想生存下来,它首先要适应环境,要学会防御天敌;而防御天敌本身又是适应环境的一个必不可少的大脑本能,没有这种本能,根本谈不上后来去学其他任何东西。

    大脑活动与多种行为息息相关

    本能行为很多时候还和精神疾病有关系,比如抑郁症。我们经常会看到或听到关于抑郁症患者跳楼自杀的新闻报道。

    大家猜一猜,在做出轻生行为的瞬间,他们会有恐惧感吗?没有。因为正常人一到楼边就会下意识地后退。对于有焦虑症、抑郁症和创伤后抑郁障碍的人来说,疾病本身就和本能行为有着千丝万缕的、互为因果的关系。

    再举一个例子。很多人都有睡眠问题,尤其是患有焦虑症、狂躁症、抑郁症的患者,他们可能都有睡眠问题,而睡眠不好又会导致身体出现很多别的问题。如果连续10天、20天、100天睡不好觉,你想我还能做好的事情吗?所以我们的本能行为和精神疾病有着密切的关系。

    电影《美丽的心灵》的主人公是诺贝尔经济学奖得主约翰·纳什,他本人也是一位精神分裂症患者,他有被害妄想症。这种人会觉得有人要害自己而表现为恐惧感升高的症状,而这种症状也是很多精神疾病的典型症状。

    汶川地震后,很多人都有创伤后的应激障碍,变得非常容易害怕。我们如何对他们进行干预治疗呢?

    其中一个方法就是不停地给他播放汶川地震的各种镜头。越害怕,越暴露。暴露的同时让他转移注意力。在临床上,这种做法叫交替感觉刺激,这样利用调控恐惧状态,能纠正人们可能存在的创伤抑郁症。

    除了维持生存、产生恐惧、主动防御,大脑的活动还与很多行为有关系。

    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。目前我们也在解读大脑中的摄食中枢。

    和吃饭一样,睡觉也是一种本能的行为。工作学习了一个白天,晚上就要休休。白天有白天的作息规律,晚上有晚上的作息规律,大脑在严密而细致地维持着机体的生存。

    如果你连续不规律作息,身体肯定会出现各种疾病,同样还会引起很多其他问题,比如血压的问题、免疫力的问题、代谢的问题,甚至还有男欢女爱的问题。

    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。

    如果你准备要二胎,生育专家一定会建议你心情放轻松一些,去度度假,这其实就是让你缓解大脑的压力,因为大脑的确会影响你的行为。

    现代教育也利用了大脑恐惧的本能——写不完作业,肯定要罚站;考一百分,就能得奖励。

    教育还利用了大脑探索的本能。自由地探索未知的世界是一种本能。孩子们天生爱探索,所以在教育中,探索应该被极度重视。

    探索是孩子们的本能,顺应他们的探索就会让他们发挥自己的特长。喜欢探索自然科学,就应该好好学自然;喜欢探索数学,就应该好好学数学;喜欢探索薛定谔的猫,就应该好好学物理……只要喜欢探索,就应该去探索。

    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。

    AlphaGo是第一个击败人类职业围棋选手的人工智能机器人。现在很多人都担心,未来人类会不会被机器人所替代?

    实际上,AlphaGo当时能取胜,是利用了人脑中的一个基本法则——突触可塑性,再加上深度学习。深度学习靠重复、靠大数据、靠统计学。

    但是人脑中还有更多复杂的功能,像我刚才提到的基本的、本能的、快速的,不需要大量学习,甚至不需要学习就能有的能力。这些能力是遗传固化下来的,人一出生就有的。

    两辆车如果慢速错车,AlphaGo肯定能识别出来;但如果高速错车,恐怕AlphaGo就不能快速识别出来了。同理,机器人射门的动作也和人类射门的动作不一样。

    也就是说,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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