心跳控制大脑？“光遗传学之父”证实了百年猜想

本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：学术经纬，原文标题：《《自然》：心跳控制大脑？“光遗传学之父”创新技术，证实百年猜想》，头图来自：unsplash

很多人有过这种体验：焦虑、恐惧的时候，心跳也会加快，仿佛能听到心脏在胸腔里快速地怦怦跳动。通常这被解释为大脑的情绪反应影响了身体的生理机能。有很多实验研究也确实发现了从大脑向心脏传递信号的途径。

然而，有没有可能反过来：心跳加快引发了焦虑或恐惧反应？一百多年前，曾有心理学家和生理学家不约而同地提出，可能是身体先有了生理变化，然后有一种重要的信息流从身体传到大脑，最终产生了情绪体验。根据提出者的名字，关于情绪产生的这种理论被称为詹姆斯-兰格情绪理论。但由于缺少实验的证明，这个理论始终存在争议，没有被主流接受。

时至今日，百年来的猜测终于有了证据。在顶尖学术期刊《自然》刚刚上线的一篇研究论文中，科学家们利用新开发的技术，刷新了我们对情绪起源的认知：心率加快本身就可能引发焦虑或恐惧反应。

一直以来，探寻心率是否影响情绪的一个主要难点，就是缺乏适当的工具，这种工具需要能精确控制心率，同时又不会引发副作用或引入干扰因素。目前为止通常用来调节心率的方法包括非特异性电击、刺激迷走神经、药理学方法，但都不能满足要求。

而在此次研究中，美国斯坦福大学的Karl Deisseroth教授带领团队完成了技术突破，开发了一种新的工具：无创光学起搏器（optical pacemaker）。

▲因为在光遗传学研究上做出突破，Karl Deisseroth教授曾荣获2021拉斯克奖、2019年沃伦·阿尔珀特奖等诸多殊荣（图片来源：HHMI）

Deisseroth教授是光遗传学领域（optogenetics）的先驱之一。光遗传学使用光和基因工程来控制大脑中神经细胞的活性，于是科学家们可以在自由移动的活体动物体内观察、了解和操纵神经元，在神经科学领域掀起变革。

先前的工作中，Deisseroth教授的研究团队（包括CRISPR技术先驱张锋博士）曾利用光敏离子通道和病毒载体创建了光触发系统，调控哺乳动物大脑中特定的神经回路。

▲利用无创光学起搏器诱发小鼠心率加快（图片来源：参考资料[1]）

光学起搏器控制心率的原理与光遗传学调控神经活动有异曲同工之妙。它的基本原理是通过病毒载体向动物体内递送一个编码光敏离子通道ChRmine的基因，利用光信号靶向控制心肌细胞。当红光照射时，表达ChRmine的心肌细胞去极化，触发肌肉收缩，诱导心跳加快。

小鼠装备上这种光学起搏器，并装上订制的小背心，就可以用小背心上装着的红色小灯控制心率。经过光诱导，小鼠的心率可以从每分钟660次，提高到每分钟900次。

▲无创光学起搏器诱发小鼠心率加快（视频来源：参考资料[1]）

与此同时，研究人员评估了小鼠的焦虑程度。两项行为学测试结果均表明，光诱导的心动过速导致小鼠在环境有潜在风险时恐惧和焦虑相关行为增加。

为什么心率升高会导致情绪的变化呢？接下来，研究人员探索了这种效应的潜在机制。他们在光诱导心动过速15分钟后对小鼠进行了全脑活动筛选。结果发现，有两个脑区——后岛叶皮层（posterior insular cortex）和脑干中的神经元被强烈激活。

后岛叶皮层是大脑中负责接收和处理身体信号的一个区域，当研究人员用光遗传学方法抑制这一脑区的神经活动后，可以看到光学起搏器诱发的焦虑样行为也减少了，这一结果表明，后岛叶皮层可能是传递心率信息并影响大脑情绪反应的重要中介。

▲研究示意图（图片来源：参考资料[2]）

“这项研究是明确地证明，至少在小鼠中，心率会影响焦虑，并且可能也会影响其他情绪行为。”《自然》同期发表的专家评论文章总结道。

这些发现无疑为我们理解和认识“情绪是如何产生的”带来了新的认识，“要了解情绪或情感状态的起源，我们必须同时考虑身体和大脑中的细胞。”研究人员在论文摘要中指出。

同时，一系列具有重要临床意义的问题也随之产生：心率升高对情绪行为是否会有长期影响？从治疗的角度来说，是否意味着适当让心率平缓下来，有助于减轻焦虑？相信随着新技术的发展和应用，我们也会很快得出答案。

参考资料：

[1] Brian Hsueh et al.， (2023) Cardiogenic control of affective behavioural state. Nature DOI: 10.1038/s41586-023-05748-8

[2] Yoni Couderc & Anna Beyeler (2023) How an anxious heart talks to the brain. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00502-6

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