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胡海岚团队:成功是成功之母

来源:中国青年报 作者:王嘉兴 2017-07-19 11:52:02
内容摘要: 当地时间2017年7月13日,顶级期刊《科学》杂志刊登了浙江大学求是高等研究院和医学院神经科学研究中心胡海岚团队的研究成果。这是人们首次对影响社会竞争的大脑前额叶皮层实现控制,也是第一次发现“胜利者效应” (The winner effect)的神经生物学基础。

从左至右分别为范郑晓、周亭亭、胡海岚、朱鸿。

两只小鼠正在试图把对方挤出管道

  在一条狭长的透明管道中,两只黑色小鼠狭路相逢。它们先是对峙了数秒,试图用眼神吓退对方,然后开始互相推挤。

  在小鼠的世界里,这是夺取社会地位的战斗,成功把对手推出管外的小鼠能享受更高的特权。胜负可以被人类掌控,研究人员只需要拿激光对着它们的大脑轻轻一照,本来在管道里威风凛凛的小鼠就会立即输给自己的手下败将。

  人常说失败是成功之母,但在神经科学的层面,成功才是成功之母。当小鼠连续获胜时,它会在竞争中变得更加努力、勇猛,能打败更强大的敌人。

  当地时间2017年7月13日,顶级期刊《科学》杂志刊登了浙江大学求是高等研究院和医学院神经科学研究中心胡海岚团队的研究成果。这是人们首次对影响社会竞争的大脑前额叶皮层实现控制,也是第一次发现“胜利者效应” (The winner effect)的神经生物学基础。

  《科学》杂志的评审专家认为,“这是一篇杰作,它运用了多种技术手段实现了对神经回路的操控,向我们展示了令人惊异的而且清晰的行为现象及行为范式。”

  “这个研究曾经在原地徘徊过很久。但最后最关键的LTP实验进展非常迅速,不到3个月时间就得到了理想的结果。”指导研究工作的胡海岚教授向中国青年报·中青在线表示,这项研究将帮助我们理解一些疾病的机理,为社会行为相关的疾病提供治疗思路。“重要的是在提高小鼠竞争力的同时,我们并没有简单地使它们更好斗,增加攻击性,或者改变它们的社会认知。”

  世界上第一个知道这个秘密的人

  为了进行实验计划里非常关键的一步,周亭亭连续几天没吃午饭。

  她需要用高频的光照刺激小鼠大脑通路,观察光反应信号的变化。那是她第一次接触类似实验,调试难度特别大,时间又很紧,得不到数据就无法进行进一步研究。

  看到仪器上本来平稳的光反应信号有了增大的迹象,周亭亭心中暗喜。“可能要做出来了!”她想。

  过了一会儿,屏幕上的线条有了明显的上扬,周亭亭转身就往隔壁胡海岚教授的办公室跑。得知喜讯的胡海岚和周亭亭对视了一眼,穿着拖鞋就往实验室跑。

  那天是个大晴天,实验室的同学都凑到她那儿看结果。做实验需要安静,但兴奋的情绪在整个实验室发酵。

  在实验室的另一头,对小鼠大脑的改造正紧张地进行着。身穿白大褂、戴着口罩和手套的研究者正专注地把注射器中的液体推进小鼠大脑。

  那是一种被改造过的、搭载了特殊基因的安全病毒,就像装着货品的快递盒子。研究人员把它们定点运送到小鼠大脑某个区域后,它会在那里自动完成拆包和组装,等待被唤醒。

  没有外界刺激时,它们对小鼠的大脑不会产生任何影响。一旦小鼠接受了特定药品的腹腔注射,或是脑部某区域被激光照射后,这些被提前安置的受体就会对神经细胞产生作用,让它沉默或兴奋。

  这种使用药理遗传学或光遗传学影响大脑特定区域的方法是国际前沿的实验手段,它能像外科手术一样,精准地作用于目标位置。借助这项技术,胡海岚团队得以确认小鼠大脑的中缝背侧丘脑投射往前额叶皮层的神经环路就是产生“胜利者效应”的神经环路。

  “胜利者效应”是一个心理学上的概念,大意是先前的胜负会影响生物在后续竞争中的发挥。在实验中,周亭亭发现在刺激小鼠大脑的前额叶皮层、帮助它赢得钻管比试后,即使研究人员停止干涉,有的小鼠仍然保持着较强的竞争性,这正是“胜利者效应”。

  周亭亭很激动。在相当长的时间里,她往往做梦都在做实验。她曾经早上5点就爬起来工作,结果却度过了一个“万念俱灰的早晨”。

  她边做实验,边在实验室的讨论群里直播着进展。胡老师几乎每次都是第一个回复消息的人。

  胡海岚总是待在实验室里看资料或是与学生聊课题。午饭和晚饭她常常和学生一起去食堂,边吃边交流研究情况,第一时间了解实验室各个方向的实验进展。研究组每周都会开组会,还会就国际上最新的研究成果展开讨论。

  一次会议交流中,胡海岚听到一个意大利的神经科学家报告即将发表的论文,他发现当动物被打败时,从丘脑到前额叶皮层的环路中,神经元连接强度会降低。“我们就联想到动物胜利时,类似的区域可能会发生相反的变化。”胡海岚教授向中国青年报·中青在线表示,“如果无线索地去找,也许需要很久才能找到相关区域,但我们很幸运,能从别人的工作中得到提示。”

  有了这个基础,胡海岚团队马上设计了实验,人为削弱或增强这个神经环路的连接强度,观察对“胜利者效应”是否有影响。很快,周亭亭就积累了足够多的数据,验证了猜想。

  “你是世界上第一个知道这个秘密的人。”拿到结果的时候,胡海岚对周亭亭说。

  用自己的大脑研究大脑怎么工作

  早在2011年,胡海岚的研究团队就对小鼠的神经环路进行研究,在《科学》杂志发表了有关社会等级的研究成果。

  对小鼠而言,钻管测试不只是一场竞赛,它体现着小鼠的“社会等级”。获胜者会拥有更多食物和领地,在求偶时占得先机,还能拔下看不顺眼的“鼠小弟”的胡须。

  在那项研究中,他们初步确认了影响小鼠社会竞争的大脑区域。那时,光遗传学研究还是一个相当前沿的技术。2011年的文章发表之后不久,他们第一次对这个脑区进行了光遗传学的实验,在试验的第一只小鼠上就取得了成功。

  “当时没想过这么快就能做出来。”谈起那段经历,胡海岚的声调明显上扬,“本来以为要摸索很长时间,比如光照强度、照射位点什么的。”从2008年12月回国算起,胡海岚和她的团队每隔一两年都会发表重量级的论文,好运气似乎一直眷顾着他们。

  胡海岚把运气的垂青归因于思考。在她看来,大脑和宇宙黑洞一样,是地球上最神奇的存在之一,也是挑战人类智力的极限之地。“因为我们是在用自己的大脑研究大脑怎么工作。”

  到了硕博连读的第六年,周亭亭还是常常感到紧张,每天晚上都会计划和演练第二天的实验内容。“睡觉之前一直都很忐忑,做实验的时候也很忐忑,不知道技术过不过关,效果会不会好。”

  胡海岚对学生和实验的要求都很高,她喜欢反复追问学生研究的细节。组里同学汇报工作时,她会参考国际会议的标准,会随时纠正实验设计、逻辑上的漏洞。她会指出每一页PPT的问题,追求简洁明朗。她要求学生在作报告时语气、语调要自信,“否则很难说服别人。”

  胡海岚不对学生每个月待在实验室的时间做硬性要求,但每天一大早就有学生来实验室工作,一直到夜很深了,显微镜前还有戴着手套和口罩观察现象的人。“科学就是这样,失败总是更多。但偶尔的成功,能激励人很久。”

  就算周亭亭拿到的是与预期完全相反的数据,她都会感到惊喜。做完上个阶段的研究时,她在朋友圈留下了这样一段话:“像是暗恋的人回眸冲你笑了笑,让人想入非非,然而心里很清楚这只是回眸一笑而已,距离修成正果还差吃个饭看个电影牵个小手确定恋爱关系吵架和好等步骤……”

  值得探索的科学问题不一定都要立即被应用到生活中

  建立自己实验室的时候,胡海岚把“情绪的神经机制”选做主要研究方向。在神经科学的领域里,对情绪的研究远远落后于对学习记忆机制的研究,有更多的未知。

  都柏林大学的心理学教授伊恩·罗伯逊曾著书《胜利者效应》。书里讲到,美国拳王泰森出狱后,他的经纪人先是为他安排了两场对手实力很弱的比赛。泰森通过这两场比赛重建了自信心,后来一举击败了实力强大的布鲁诺,夺回了金腰带。从动物到人类世界,“胜利者效应”广泛存在。

  过去,科学家对这个概念只能从心理学的角度进行分析,对它背后的生物学机理一无所知。通过胡海岚团队的研究,这个效应本质上的“物质基础”被找到了。

  胡海岚很享受这种追根溯源的感觉。在她看来,这种由好奇心驱动的基础研究也许不能即刻应用到日常生活,但往往会在意想不到的地方带来意外的惊喜。比如,半个世纪前生物学家在黄石公园的热泉里好奇地研究能在沸水里存活的微生物时,并没有立刻联想到这将会催生出现代基因重组技术最重要的工具-限制性内切酶。胡海岚相信,对人类情感、行为本质特征的探索,最终也将会造福人类。

  她也承认,目前得到的结果都是非常基础的结论,“胜利者效应”可能也被其他人类未知的神经环路影响,还远未达到能应用到人体或疾病治疗等方面的程度。

  在过去的研究中,科学家还发现了大脑中与其他情绪有关的区域,让人类知道恐惧心理的来源,知道影响焦虑的神经环路……尽管如此,针对特定大脑区域准确注入功能性药物还是一个巨大的挑战。下一步,胡海岚还准备研究前额叶皮层的下游区域如何表现情绪的影响。

  在实验室里,小鼠住在动物房的“四人间”,水和食物供应量充足。每一间都贴着标签,注明它们的大脑被怎样处理过,也贴着周亭亭等“主人”的名字,远看像一座充满现代感的摩天大楼。

  那里不仅是小鼠的战场,也是脑神经科学家追求下一场胜利的地方。

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