大鼠及小鼠的恐惧共情研究进展

隋钧皓,王 艳,蒋 政,隋建峰,庄羽翔

(1陆军军医大学基础医学院基础医学教学实验中心,重庆 400038;2青岛大学附属医院医院感染管理部;3重庆医科大学附属第三医院放射科;*通讯作者,E-mail:250348342@qq.com)

共情是一种在个体之间传递的情感体验。过去曾普遍认为只有人类才能与其他个体分享情绪并表达高级情感认知过程。然而,近期的神经科学研究显示啮齿类动物在社会活动中也具有分享情感的能力[1-3]。在总结近几年关于啮齿类动物的共情研究工作之前,有必要回顾一下两项半个世纪前完成的观察啮齿类动物能否影响其他同类个体的情感状态的研究。其中一个实验通过条件性压杆实验评估小鼠的共情行为。Church等[4]的实验发现,如果受试鼠观察到演示小鼠被电击的过程后,被电击小鼠的痛苦表现对于受试鼠的条件性压杆行为有直接的抑制作用[4]。这一现象可持续10 d。这一结果是开创性的,因为他证明了小鼠似乎可以分辨自身的情感经历和同物种动物的经历是否有一致性。在另一项研究中,Rice和Gainer[5]尝试探讨大鼠能否通过表现出直接的帮助行为来减轻同伴的痛苦。在实验的第一部分中,受试鼠被训练完成以下行为:通过压杠杆以避免视觉信号之后的电击。随后发现,受试大鼠在实验中能够通过积极主动的行为来减少同伴的痛苦,这种现象是与共情有关的。此外,大鼠的其他许多行为都表明信息可以在其群体内部交流,例如对食物的偏好,肌肉运动和回避行为[6-10]。近期,很多研究关注了大鼠和小鼠对恐惧的反应以及能否感受其他个体的恐惧反应,即恐惧的社会传播行为[11-13]。研究显示,大鼠和小鼠均可以学习其他个体的恐惧反应,也表现出类似的社交行为。

1 大鼠及小鼠的恐惧行为的共情研究

1.1 大鼠及小鼠的条件性恐惧共情

为了在啮齿类动物中建立有人类共情行为特点的模型,研究者们大多选择了实验室中最容易获得的两类哺乳动物—小鼠和大鼠来建立共情研究模型。在努力建立啮齿动物恐惧共情模型时,很多研究采用了对于恐惧条件反射的观察模型。恐惧条件反射(条件性恐惧)是根据经典巴甫洛夫条件反射行为建立的一种模拟恐惧情感的动物模型,通常采用中性刺激亦称条件刺激(一般是光照或声音,也可以是特定场景)与惩罚刺激亦称非条件刺激(通常是足底电击)进行配对训练,使动物建立对于中性刺激的恐惧反应。训练后将动物重新暴露于训练过的环境或中性刺激线索下,动物表现出对整体训练环境(环境恐惧)或具体条件线索(线索恐惧)的条件性恐惧反应(僵立行为)。而对于恐惧条件反射的观察模型则是在条件恐惧训练过程中另外设立观察鼠,在受试鼠受到配对训练时全程观察受试鼠的受惩罚过程,由于当受试鼠正经历痛苦时观察鼠的主观情感也可能发生了变化,故可建立其对条件刺激刺激的后续的观察恐惧。测试观察者对条件刺激的反应程度可以反映其受痛苦情绪的感染情况。

Bredy和Barad[14]最近的研究表明,观察鼠在观察了线索性恐惧联合学习过程后,其随后对恐惧联合学习的习得、保存均发生易化,而消退过程被抑制。提示与熟悉的同种动物的社会交流促进了恐惧记忆的获得并抑制其遗忘。在一项类似的实验中,Knapska等[15]发现:与经历恐惧训练的示范大鼠的交流会促进大鼠双向回避行为(逃跑式恐惧条件反射)的获得。可见无论行为反应是逃跑(兴奋性的)还是僵立(抑制性的),与经历恐惧的演示大鼠的交流均可使观察鼠更快获得行为反射,这种交流似乎能直接易化观察鼠建立新的联合学习。

Kavaliers等[16]通过采用小鼠条件反射行为学模型研究了小鼠能否通过社会观察来学会避免受到攻击。研究者将演示鼠与苍蝇放在一起,让观察鼠通过观察演示鼠的掩藏、规避行为而进行训练。当他们独立暴露于类似环境时,即使没有苍蝇出现,演示鼠也表现出强烈的掩藏、规避行为,提示观察小鼠对条件刺激(即苍蝇)有反应,就好像他们被攻击过一样,而实际上他们并没有直接的被攻击经历。Kavaliers等[17]的研究也表明,观察鼠在观察演示鼠受攻击过程后,即使面对没有攻击行为的苍蝇也会出现条件性的皮质酮的释放。

1.2 啮齿动物遗传背景对恐惧共情行为的影响

研究者发现,啮齿动物遗传背景似乎可以影响小鼠对演示鼠痛苦的反应程度。一些研究发现,C57BL/6J(B6)观察鼠在暴露于相关刺激后,即可对单独的条件刺激产生僵立反应,提示对演示鼠的痛苦有共情。但是BALB/cJ(BALB)小鼠缺乏类似表现[18-21]。应该注意区别的是,观察组小鼠的行为表现究竟是由于情感状态的共享所致,还恐惧本身所致?值得加以分析和讨论。

1.3 观察鼠的先前非条件刺激经历、受试鼠的恐惧程度、动物间熟悉程度对恐惧共情的影响

一些研究观测了啮齿类动物的恐惧共情如何受各种因素的影响。大鼠实验中,Kim等[22]通过线索恐惧条件反射模型研究发现,在看到实验大鼠习得恐惧条件反射的过程后,作为“观察者”的大鼠也能够产生僵立反应,即条件刺激信号可引发观察大鼠的条件恐惧反射—观察性恐惧。但只有在观察鼠本身事前经历过非条件刺激的前提下这种学习才能发生。Sanders等[3]也有类似发现。但Bruchey等[23]的研究发现,观察鼠本身提前经历非条件刺激对于其习得观察性恐惧并非是必需的,大鼠仅通过观察实验大鼠的习得过程即可建立对条件刺激表现出恐惧性僵立反应。在测试期间也无需受试鼠的存在。有趣的是,Bruchey等[23]发现,观察鼠对条件刺激的反应与它们在观察期间和受试鼠直接的社会互动的程度呈正相关。

在小鼠实验中,Chen等[24]的早期研究发现,观察鼠在面对受电击的受试鼠时并没有表现出恐惧行为,只是表现出面向受试鼠的行为。但在Jeon等[25]的研究中发现,当观察到实验小鼠在4 min内多次受到电击并导致恐惧时,观察小鼠也表现出僵立反射。这反映了情感状态在小鼠之间的也可发生社会转移。这个结果不同于Chen等[24]的报道,这种差异可能是由于Jeon等[25]为受试鼠提供了非常强的非条件刺激,而Chen等[24]在研究中使用了更温和的非条件刺激。总的来说,未经处理的观察鼠似乎需要观察到对受试鼠更高水平的厌恶刺激才会产生僵立反应,而观察鼠本身如先前经历过足部电击,他们对低水平的厌恶刺激就可以产生观察恐惧。另外,Jeon等[25]的研究中的小鼠之间是相互熟悉的,而Chen等[24]的研究中小鼠是相互不熟悉的。这种差异如何导致观察恐惧的不同目前尚不清楚。

一些研究表明,恐惧反应的共情程度取决于示范者和观察者的亲密程度。熟悉的伙伴关系会增强小鼠的共情反应[3,25-28]。这一发现和人类共情的文献是一致的[29,30]。另外,人们通过痛觉共情模型研究发现,关系亲密的同类的出现能够降低电击组小鼠因疼刺激所引发的应激反应。

另外,除了恐惧行为反应,Chen等[24]和Jeon等[25]研究表明,当面对受电击的受试鼠时,观察鼠也表现出其他方面的共情生理行为,例如心率变化。而在人类的一系列研究中也发现心率变化与共情之间存在联系[31,32]。

2 大鼠及小鼠恐惧共情的潜在的神经生物学机制

2.1 视听刺激在恐惧共情中的作用

关于观察动物的恐惧共情究竟是来源于视觉刺激为主还是听觉刺激为主?目前对于这个问题尚没有明确结论。有一项研究将小鼠暴露于不同的恐惧学习环境,研究了听觉刺激在其中的作用[24]。研究者以纯音作为条件刺激,以痛苦哀叫的声音回放作为非条件刺激,两者联合配对,随后测定仅仅重现条件刺激时观察小鼠的僵立反应,结果表明声音交流在小鼠的恐惧传递中发挥着重要作用。研究者还注意到,来自不同种系的演示小鼠在听力上的差异并不是其对痛苦的敏感性差异的原因。关于这个问题未来有必要加以深入研究,特别是应重点回答视听刺激分别通过什么具体的神经回路引发了恐惧共情。

2.2 前扣带回皮层(ACC)和外侧杏仁核(LA)在恐惧共情中的作用

早期研究发现,ACC是调节情绪的重要脑区[33,34],人体实验注意到,即使在发现和观察别人痛苦时,ACC也被激活,提示其参与共情过程。目前普遍认为,ACC是人类和动物中关键的与共情有关的皮质区[25,35-40]。另外,Knapska等[41]发现,在和痛苦的实验大鼠进行了简短的社会交流后,观察大鼠的杏仁核中出现了大量的诱导转录因子c-fos表达。这表明杏仁核的特定部位也参与对其他个体的痛苦的应答。

Jeon等[25]研究了共情过程中ACC和外侧杏仁核(LA)神经元的θ波(≈6 Hz)同步活动,发现这些脑电活动与观察鼠的共情过程(痛苦)同步,提示θ波活动似乎是共情的神经基础,与小鼠共情的表型相关。Jeon等[25]还提出了ACC及LA在共情过程中的分工假设:ACC对于小鼠感知同伴痛苦是必不可少的,而LA对于回忆这段记忆是关键的。即观察性恐惧记忆的长时储存应该不在ACC中,很有可能在LA。早前已明确的是,LA对于条件恐惧的学习和记忆储存必不可少。

特别值得一提的是,人类共情研究的重要任务之一是探讨大脑如何解读面部恐惧表情,进而回应他人的情感状态。一项最新的理论提出,镜像神经元网络(MNN)参与共情[42,43]。证据表明,人类的面部情感识别能力会因与MNN相关的皮层区域以及杏仁核的损伤而降低[44]。但也有研究表明,两侧的杏仁核损伤后MNN仍能代偿恐惧识别缺陷[45,46],提示杏仁核不是人类MNN的必要组成部分[45-49]。

2.3 5-HT、DA及催产素恐惧在共情中的作用

已知5-HT和DA受体在ACC和整个额叶皮质中高度表达[50-53]。研究发现,D2受体是观察性恐惧学习所必需的。Kim等[54]研究发现:向ACC单独注射5-HT可以减少小鼠的观察恐惧(即减少了僵立反应),这与临床上发现的5-HT减少的患者易于发生共情障碍相一致。而单独注射DA未发现类似效应;5-HT和DA一起作用于ACC时也没有出现叠加效应。另外,ACC中DA水平的提高虽然不影响观察性恐惧,但在大脑的其他区域如丘脑、杏仁核、内侧前额叶皮质等区域,DA及其受体对观察恐惧的作用不能被排除。另外,最近一项研究观察到,催产素可以提高小鼠的观察恐惧行为[13]。

2.4 Ca 1.2I型钙通道在恐惧共情中的作用

Jeon等[25]研究了情感痛觉系统和ACC中钙离子通道在观察恐惧中的作用。他们认为:情感疼痛系统参与了社会恐惧的观察学习。ACC可能在恐惧形成过程中通过整合感觉和情感成分进而调节共情过程。ACC中的功能性Ca 1.2I型钙通道对观察性社会恐惧的学习是必要的,并且对脊髓以上水平的疼痛反应调节至关重要。

总之,由于脑功能成像技术的进步及其在人类共情领域的应用,迄今为止我们对于人类的共情机制已有初步了解,但长期以来,受到动物共情的定义及动物共情现象观察难度的限制,关于动物即使是猿和猴等种属的共情机制目前仍所知甚少。鉴于非人灵长类高等哺乳动物的来源困难,未来的共情机制研究应积极着眼于啮齿类低等哺乳动物,应尝试将啮齿类动物的共情研究与人类的类似实验结果加以综合对应分析。随着对哺乳动物大脑基础的情感控制系统的不断了解以及啮齿类动物复杂共情模型(包括积极共情模型)的不断出现,评估已知的情感控制系统在多大程度上参与共情过程以及两者的重叠程度如何将是有可能的[55]。

3 研究展望

现有证据似乎支持啮齿类动物具有共情能力,即情感可在此类动物的个体之间传递和分享,从而使同伴获得与己相同的感受。推而广之,哺乳动物的复杂脑结构似乎足以使其具备类似人类的感觉和情感以及分享能力,Panksepp[55]的开创性工作正使其逐渐成为广泛接受的理论。但这种说法一直备受争议[56]:受情感研究方法的限制,动物共情也有可能是一假象。啮齿动物是否可以共情应该广泛地整合多领域的研究后加以判断,包括行为、心理、神经和进化领域的研究。目前最大的问题是:仍不清楚啮齿动物的社交与共情反应的神经基础是什么[15,23,24]。鉴于许多精神疾病能够提高或降低共情能力,包括神经分裂症[57,58],强迫性障碍[59]、神经性厌食症[60]、未来应积极探索引起啮齿类动物共情反应的神经化学基础,并利用啮齿动物共情模型评估可能的“共情素”类药物。可进行多种系的实验评估。

另外,目前大多数对动物共情的研究侧重于消极情感的共情(例如疼痛、悲伤),但共情还应包括对积极情感的共情。积极情感的共情过去一直很难在动物上进行研究,但也有个别研究关注了动物积极情感的共情,并发展了令人感兴趣的啮齿动物积极共情行为模型—基于年轻大鼠之间的打闹嬉戏行为。在一项采用该模型的研究中,对一对打闹嬉戏大鼠中的一只大鼠的嬉戏行为进行药理或环境方面的干预会彻底改变环境中另一只大鼠的行为[61,62],提示爱嬉戏玩耍的大鼠习惯于同伴的状态,当它们之间的玩耍行为出现不协调时大鼠会相应地调节自身的行为。或许大鼠更偏爱积极的社交伙伴,喜欢和能在社会互动的环境中分享类似体验的个体玩耍嬉戏。

总之,共情能力使个体可以体会到他人的感受,这对于社会交流至关重要。一些异常的社会行为及精神疾病与情感或感知觉的特征性损伤相关,共情能力损害及ACC功能障碍是其特征之一。例如:创伤后应激障碍、精神分裂症、自闭症和老年痴呆症,等等。啮齿动物似乎具有共情能力这一现象为相关研究提供了重要机会。未来使用共情(社会恐惧)行为模型有助于加深对相关临床疾病发病机制的理解,帮助我们寻找这些疾病的治疗措施。由于小鼠遗传学技术的高度发展,啮齿动物存在共情的可能使人类可方便使用这些种属在细胞和分子水平上分析研究共情的神经机制。共情的遗传学基础的阐明将为相关疾病的药理学干预提供重要前景。另外,啮齿动物可能具有共情能力这一现象提醒我们需重新考虑对动物本性的认识,并提醒科学家仔细评估和控制自己的研究实践以尽量减少潜在的动物个体之间痛苦和恐惧的交流,保护动物免受过多伤害。