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王飛 對逼近黑影的恐懼深深印在我們的眼睛里

發布時間:2022-01-11

作者:中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心 王飛 來源:科學大院

  貓頭鷹捕捉地上的老鼠 

  (圖片來源:Tom Samuelson,國家地理) 

  有一天,貓頭鷹看到地上有老鼠,就悄悄地飛了下來。老鼠扭頭一霎那間,就看到一個黑影向它撲來,這時的它像是被冰封了——本來舉起的小胳膊也放不下了,翹起的尾巴還懸在空中。而此時的貓頭鷹,突然失去了目標,隨即調轉方向,飛向了另外一個樹干。 

  經過長達十分鐘的僵直后,老鼠的腦子里才有了恐懼的感覺,它一溜煙地跑進了窩里,腦袋朝向洞口,身體蜷縮著。過了好久,它才敢探出腦袋,看看外面還有沒有危險。 

  其實,不僅老鼠有這種遭遇,很多動物都有類似的經歷。在動物的世界里,有一種刻在基因里的恐懼。當動物被快速逼近的黑影驚嚇時,或者會變成“僵尸”,保持一動不動數十分鐘;或者瘋狂逃跑,以最快的速度躲進安全的地方。此外,還會有很多恐懼相關的癥狀出現,比如:嚇得屎尿齊飛,心跳驟增等等。而且,這種恐懼過后的很長時間內,它們都不敢輕易走近碰到“鬼”的地方。

  那么,動物們為何會對一個變大的黑影產生恐懼呢?這種恐懼又來源于哪里,是如何被激發的呢?

  逃跑和裝死,竟然是 

  祖宗傳下來天下最快的武功 

  為了弄清楚這種恐懼的來源,研究人員開始了大膽的猜想和精密的實驗。首先,他們認為這明顯是一種提高動物生存率的行為:老鼠在貓頭鷹撲來時被“凍住”了,才得以躲過貓頭鷹的獵殺;當看到拍打它的黑影時,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物在極短的時間內對突然出現的危險做出反應,以最為簡單有效的方法保全自己的性命。

  實驗室里研究不同動物對逼近黑影刺激的反應 

  (圖片來源:F. Claire Rind and Peter J. Simmons, 1999. Trends Neurosci、 

  Hiroshi Ishikane et al. 2005. Nature Neuroscience、Pengfei Wei et al. 2015. Nature Communications) 

  從進化的角度來看,很容易理解為什么這種反應會被直接編碼到基因里——如果幼年動物需要學習這種反應的話,在第一次遇到危險時可能就已經喪生了。只有將這種對危險的快速反應刻在基因里傳給下一代的動物,才能最有效地保證幼年動物的存活,使整個物種在激烈的進化競爭中取得勝利。而恐懼往往是這種本能防御行為的副作用,在動物產生防御行為后,恐懼會給它們留下深刻的印象,讓它們記住這種危險的存在。 

  天下武功,唯快不破。這種保命本領的秘訣之一就是一個“快”字。在捕獵者眼中,被捕食動物永遠是弱小的存在。不過,它們卻從祖先那里繼承了天下最快的武功:僵直術和逃跑術。這些武功甚至都不需要經過大腦皮層,而是在自己都沒有意識到的情況下就第一時間施展出來,給動物們留下寶貴的保命時間。

  老鼠見了貓快速地逃跑

 ?。▓D片來源:AmazinglyTimedPhotos.com)

  想活命,除了走高速,還要架電纜 

  那么,為何這門保命的絕學能這么快呢?

  其實,在動物的腦子里有一條高速路,直接將危險轉化為行動。這條高速路從眼睛開始,將危險信號傳輸到腦中一個叫上丘的地方,然后兵分兩路,一路到指揮運動的腦區,啟動防御行為;另外一路到負責恐懼的腦區杏仁核,產生恐懼情緒。這樣,危險信息就不用先通過大腦皮層處理,再經由運動相關的腦區來輸出行為。信息傳遞通路也大大縮短,使得動物不經過思考就能做出行動,有了下意識一樣的反應。

  

  從視網膜到腦中的高速通路 

  (圖片來源:Lynda Erskine and Eloisa Herrera, 2007, Developmental Biology) 

  如前所述,在動物啟動腦中的快速通路之前,需要由眼睛先檢測到危險。如果視覺出了問題,動物們是很容易被捕食者吃掉的。問題又來了:視覺系統如何快速檢測到危險的存在呢?這種檢測需要視網膜中的所有細胞來參與嗎?檢測這種危險信號和通常情況下看東西的機制一樣嗎?

  實際上,在視網膜中有一類很大的細胞。它們伸出長長的肢體,形成一張寬大的網,像巨型雷達一樣捕捉著視野中的信號。除了向大腦提供黑白、顏色等信息之外,這個細胞還有另外一種不為人知的功能,那就是檢測逼近的黑影刺激。通過向腦中發射電信號,它們能告訴下游的細胞,現在逼近的黑影有多大,是否應該準備行動。

  這類細胞不僅有寬大的樹突,還有一根粗大的軸突,也就是將信號傳輸到腦子里的“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,可以說是第一個將信號報告給大腦的。有了這類細胞,眼睛就可以實現對逼近黑影特異的檢測和快速報告了。

  小鼠視網膜中的阿爾法細胞 

  (圖片來源:中科院神經所張翼鳳實驗室) 

  如何捕獲并馴服一種細胞

  值得一提的是,人們對這類細胞的認識經歷了一個漫長的過程。雖然很早人們就在貓的眼睛里發現了這種細胞,將其命名為阿爾法細胞(取“第一、開端”之意;但是這類細胞零散地分布在視網膜中,每次研究員們只能隨機抓取一個阿爾法細胞,能不能碰見下一個,完全靠運氣??墒?,如果不能進行精確區分,也就沒辦法將它們全部挑出來進行控制。所以,如何捕獲并馴服這類細胞,成了研究者最大的挑戰。

  得益于深入的基因研究,研究者找到了在一部分阿爾法細胞(瞬時撤光型阿爾法細胞)中特異表達的一個基因。這種特異表達的基因就如細胞的名字一樣,可以讓研究者輕松地把細胞“叫”出來。并可以每次只叫出這群細胞去干活,而不打擾其他細胞的工作,這樣,捕獲的問題就解決了。

  那么,研究者是如何馴服這類細胞的呢?首先,他們讓這群細胞乖乖地歇著,同時令眼睛中的其他細胞保持正常工作,此時的老鼠在看到逼近黑影時竟然不害怕了。在這之后,研究者讓這群細胞向腦中發出假的警報信號,這時,雖然并沒有逼近的黑影,但是老鼠仍然傻乎乎地逃跑了,而且被嚇得不要不要的。這些實驗證明,視網膜中的瞬時撤光型阿爾法細胞就是向腦中報告逼近黑影刺激的細胞。

  通過控制小鼠視網膜中的阿爾法細胞來控制小鼠的恐懼行為(圖片來源:Fei Wang et al. 2021, Current Biology) 

  眼睛里的報警專線 

  不過,這又涉及到一個問題——眼睛每時每刻都在觀察著外面的世界,向大腦提供視覺成像,通過這些精細的圖像就可以讓動物看到危險來臨,那為何還需要一個專門的通道來報告危險信息呢?就如我們已經擁有了功能豐富的移動互聯網,還需要報警電話嗎?

  其實是需要的,如果信息太多,我們就很難將要點從繁如星海的信息中找出來。保留報警電話才可以專門檢測危險刺激,在不混淆其它無用信息的前提下,將有關信息直接傳輸給相關部門,后者才可以派出機動部隊,進行救援和保護。其實在人類社會中,這種機制早已存在。比如,在軍隊體系中,他們的偵察系統只關注敵軍的動態,收集相關信息,快速上報。

  同理,動物眼睛中的專門通道就如同報警電話,它們只負責檢測逼近的黑影,并以最快的速度將危險信息傳輸到負責防御行為的腦區。這樣一種報警專線加上快速反應系統,使得動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動攻擊(圖片來源:鮑永清,2019年度野生動物攝影師大賽獲獎作品) 

  現在我們知道了,逼近黑影導致的恐懼是一種天生的行為,為一代又一代的動物爭取到了在危機時刻生存下來的機會。雖然在今后的日子里,動物們還會被這種逼近的黑影嚇得魂飛膽破,但是它們的經歷讓人類對大腦的危機處理機制有更多的了解。隨著研究者對大腦的理解更為深入,他們就能解釋更多的動物行為,并為人類的疾病治療提供堅實的理論基礎。

  2021年4月1日,關于逼近黑影導致動物恐懼的視網膜機制的研究發表在《當代生物學》雜志上。這個題為《瞬時撤光型α視網膜神經節細胞介導逼近視覺刺激觸發的本能防御反應》的研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)張翼鳳研究組歷經八年攻關完成。 

  該研究通過篩選瞬時撤光型α視網膜神經節細胞的分子標志物并構建能夠標記及操控該細胞的轉基因小鼠,發現這類細胞可以編碼逼近視覺刺激的大小,并且介導了逼近視覺刺激觸發的小鼠本能防御反應。此研究首次找到了標記瞬時撤光型α視網膜神經節細胞的分子標志物,并證明這類神經元構成了視網膜中的一條警報專線,用于通過皮層下通路快速引起小鼠的防御反應。 

  參考文獻: 

  [1]  Wang et al., OFF-transient alpha RGCs mediate looming triggered innate defensive response, Current Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.03.025 

  [2] Yilmaz, M., and Meister, M. (2013). Rapid innate defensive responses of mice to looming visual stimuli. Curr. Biol. 23, 2011–2015. 

  [3] Boycott, B.B., and Wassle, H. (1974). The morphological types of ganglion cells of the domestic cat’s retina. J. Physiol. 240, 397–419. 

  [4] Pang, J.J., Gao, F., and Wu, S.M. (2003). Light-evoked excitatory and inhibitory synaptic inputs to ON and OFF alpha ganglion cells in the mouse retina. J. Neurosci. 23, 6063–6073. 

  [5] F. Claire Rind and Peter J. Simmons. (1999). Seeing what is coming: building collision-sensitive neurones. Trends Neurosci. 22, 215-220 

  [6] Ishikane, H., Gangi, M., Honda, S., and Tachibana, M. (2005). Synchronized retinal oscillations encode essential information for escape behavior in frogs. Nat. Neurosci. 8, 1087–1095. 

  [7] Wei, P., Liu, N., Zhang, Z., Liu, X., Tang, Y., He, X., Wu, B., Zhou, Z., Liu, Y., Li, J., et al. (2015). Processing of visually evoked innate fear by a non-canonical thalamic pathway. Nat. Commun. 6, 6756. 

https://mp.weixin.qq.com/s/pRux5unjM1lODnZKv-RdEQ
 

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