解码爱的神经生物学机制 | 专访刘鼎博士

时间导览

00:00 – 01:38  嘉宾介绍

01:38 – 10:20  大脑的性别差异

10:20 – 18:45  两性之爱的神经生物学基础、犁鼻器与外激素系统

18:45 – 30:36  父母之爱的神经生物学基础、婚配制度对育雏行为的影响

30:36 – 35:26  关于孤独感的神经生物学研究、社交平衡的重要性

35:26 – 43:32  现在与之前研究的异同之处、科研经历与经验分享

       健康、情感、财富可谓是人生的三大主题，而情感问题从我们出生到离开这个世界一直缠绕着我们。爱是一种难以言说的情感，从青春年少的一时冲动到相濡以沫的漫长岁月。什么是爱？看似单纯的行为背后有着怎样的复杂脑内活动？这种需求又是由怎样的神经机制产生的？我们今天有幸邀请到哈佛大学的刘鼎博士带我们揭开难以描绘的情愫之谜:从神经生物学的角度了解爱与被爱。

嘉宾介绍

主持人：刘博士您好，先跟大家介绍一下自己吧。

刘博士：大家好，我是刘鼎，博士毕业于中科院上海神经所，现在在哈佛大学分子与细胞生物学系做博士后。我现在实验室主要研究的是社会行为的神经生物学基础（social neuroscience）。我的导师叫Catherine Dulac，她早年间在Richard Axel lab 做博后的时候，发现了第一个外激素（pheromone）受体的基因。而她的导师和师姐（Richard Axel 和Linda Buck）则因为首次发现嗅觉受体基因而获得了2004年的诺贝尔医学和生理学奖。

大脑的性别差异

主持人：听说您所在的实验室是研究关于爱的神经生物学的，能向我们介绍一下具体的内容吗？

刘博士：性别认知是“爱”的生理基础。传统意义上的生物性别是由性染色体决定的。比如人类的XX是女性，XY是男性。但还有另外一个层面的性别认知，是由大脑决定的，就是“我觉得”自己是男生还是女生。在很多时候，自我性别认知与染色体性别一致，比如染色体XY的个体自我性别认知是男性。但是也有少数情况，虽然染色体是XY，但是自我性别认知是女性。

       染色体性别和认知性别有很强的联系。这个联系在于Y染色体上有一个很重要的基因叫SRY，它直接决定了男性性器官的发育。如果没有这个基因，生物体就会默认发育成女性。我们知道性器官会分泌性激素，而性激素可以通过体液循环进入到我们的大脑。在大脑中有很多识别性激素的神经元，会被性激素所调控。这些神经元构成的神经网络决定了我们的性别认知。

主持人：雄性和雌性大脑有什么样的区别？

刘博士：在宏观水平上，两性脑在某些区域会有大小的差异。比如下丘脑视前区（hypothalamic preoptic area）有一个性二态核（sexually dimorphic nucleus，SDN）。研究认为男性的性二态核要比女性稍微大一些，而且这个特征有跨物种的一致性。这个核团的发育与体内雄性激素的水平有关：雄性激素越高，这个区域就越大。一个有意思的观察是，男同性恋的性二态核大小介于女异性恋和男异性恋之间。所以有人认为这个核团的功能和性别认知以及性取向有关系。

       提到性别认知和性取向，这是两个不同的概念。性别认知是对自己性别的认识，而性取向是一个人喜欢对象的性别。这两个问题都是敏感又重要的神经生物学问题，目前都还没有清楚的答案。一个比较确凿的观察是，怀孕时母体的激素水平有可能影响后代的性别认知。比如母亲怀孕时如果雄性激素过高，女性后代有可能出现男性的性别认知。刚才说的是在宏观水平上两性脑的区别，但其实在微观层面上，比如神经元对性激素的响应、神经元之间的连接，以及神经元电活动的模式都会有两性的差异。这些微观的差异进一步决定了两性行为的不同。

主持人：男生会在数学上比女生好吗？

刘博士：让我们来粉碎一下这个谣言。这是一个刻板的社会印象，是后天产生的。有研究表明，男生和女生的数学能力并没有明显的差异，语言能力也没有。之所以男生可能数学比较好，而女生的语言能力比较好，这和我们后天的教育方式有关。如果得到同样的鼓励和训练，男生和女生是可以一样好的。

       从另一个方面来讲，我们也要承认两性在很多生理特征上的确是有差别的。最典型的就是身高差异：男生平均比女生高。一个有意思的事情是大家一般认为男孩喜欢汽车航模女孩喜欢布娃娃是后天形成的。但是最近有一个实验发现，雌性猴子也偏爱娃娃，而雄性的猴子偏爱汽车。猴子并没有受过人类社会文化的影响，因此这种偏好应当是由先天大脑差异决定的。

两性之爱的生物学基础

主持人：从神经生物学的角度来看爱是什么？爱是如何被感知的呢？

刘博士：我导师在做公众演讲的时候，喜欢用一个标题叫“the neurobiology of love”。客观来讲，“爱”是人类发明的一个浪漫的概念。我们在实验室更多地关注的是动物之间如何相互识别然后产生合适的社会行为。社会识别需要一种重要的信息分子叫外激素（pheromone），也有人称之为信息素或者费洛蒙。与在体内发挥作用的激素（hormone）相反，pheromone是分泌到体外的一种化学物质，可以被不同的生物个体感知，进而实现个体之间的通讯联络。外激素能够被一个特别的嗅觉器官“犁鼻器”（vomeronasal organ, VNO ）所感受。犁鼻器位于动物口腔的顶部和鼻腔的下方。我们实验室发现如果通过突变离子通道TrpC2破坏犁鼻器的功能，小鼠会表现出一系列奇怪的行为，例如同性别小鼠之间也会发生性行为（Stowers et al., 2002; Kimchi et al., 2007）。

       这个发现说明犁鼻器/外激素系统对性别识别（sex discrimination）很重要，同时也提示大脑可能具有双性潜质。在通常情况下，雌性脑的雄性潜质是被抑制的。但是在外激素系统失去功能的情况下，这种潜质可能会被激发出来。这个假说解释了为什么雌性小鼠也会表现出雄性的性行为。另一个有意思的双性潜质的例子是一种孤雌生殖的蜥蜴（Whiptail lizard）。这种蜥蜴的卵细胞不需要受精就可以发育成小蜥蜴。虽然是孤雌生殖，它们依然需要一种交配仪式来完成排卵。在交配仪式中一只雌性的蜥蜴要扮演雄性的角色，表现出雄性的行为，来辅助真正要排卵的雌性蜥蜴。

主持人：人类有外激素系统么？人类如何去寻找自己的另一半？人类是看脸（视觉驱动）的动物么？

刘博士：人类的外激素系统是否存在还有争议。有些人认为人体会分泌外激素，但是我们的犁鼻器已经退化了。在人类和很多灵长类上，TrpC2基因发生了突变（图三），因此我们无法通过犁鼻器感受外激素。有人认为同寝室女生月经周期的同步化，是通过外激素系统实现的。但是近些年也有新的实验证据对此提出质疑。整个香水产业其实是希望用补充外激素的方式来增加两性吸引，但是这个机制是否存在还需要严谨的科学验证。人类的确是更加视觉驱动的动物，人类在寻找配偶的时候，整合了很多方面的因素，视觉、听觉比嗅觉更加主导。人类在寻找配偶的时候会考虑各种复杂的因素，既有动物性的部分，也有社会性的部分。

父母之爱的生物学基础

主持人：我们前面讨论了两性之爱，其实父母之爱也是一种非常强大的动物本能。您所在的实验室是如何研究父母之爱的？

刘博士：双亲对子女的抚养是我们实验室研究的一个非常重要的方向。雌性小鼠是天生的母亲，就是说没有做过母亲的处女鼠也会表现出哺育幼崽的行为，比如把幼崽叼回窝里去舔它们，做窝给它们保暖。与此相反，没有做过父亲的雄性小鼠会把别人家的小鼠咬死（杀婴行为，infanticide）。这种行为直到它自己做了父亲以后才会转变。有趣的是，这种转变不是在交配以后马上出现的，而是在交配完成21天以后。为什么是21天呢？21天是母鼠从怀孕到最后分娩的三周。在这21天之中，雄鼠还是会杀婴，但是21天过后它就会表现出来“父爱”，即使是别人家的宝宝他也会保护。

       育雏的行为看似和我们实验室之前研究的外激素系统关系不大，但它其实有一个内在的联系。我们之前说过，如果突变TrpC2 这个通道，雌鼠会表现出一些雄鼠的行为。那么在雄鼠上突变这个基因，会不会产生雌鼠的行为呢？育雏行为就是一个非常好的行为范式。我们发现如果把未交配的雄鼠的这个基因突变，的确会增加它的育雏行为（Wu et al., 2014）。

       下一步我们继续探究到底是哪些细胞类型和神经环路控制了育雏行为和杀婴行为，以及这两种行为是如何互相作用的。一开始我们使用 c-fos染色，c-fos是一个快速响应基因（immediate early gene），它的表达反映了神经元的电活动。在一个行为之后对c-fos蛋白进行染色，我们就可以找到在这个行为中被激活的神经细胞。我们发现在下丘脑视前区有一种特别的细胞类型，它表达一种叫galanin的蛋白。当我们把这些细胞杀死后，育雏行为减少了，杀婴行为变多了。如果用光遗传（optogenetics）的方法去激活这些神经元，可以诱导出更多的育雏行为（Wu et al., 2014）。我们最近发现galanin细胞还可以进一步细分（Moffitt et al., 2018），其中有一个亚群，它表达calcitonin receptor基因，这群细胞可能与育雏更相关。然后我们使用神经示踪的方法发现galanin 细胞有很多下游的投射。其中和奖赏动机密切相关的腹侧被盖区（ventral tegmental area）也是下游之一。我们猜测这个通路可能会调控育雏行为的动机（motivation）。所以我们做了一个实验，实验中亲鼠需要翻过障碍物解救宝宝，而激活这个通路可以非常显著地促进解救的行为（Kohl et al., 2018）。

主持人：在人类的育雏行为中，夫妻都有参与，那么婚配制度是如何影响育雏行为的？

刘博士：哺育后代是促成一夫一妻制的一个重要原因，因为两个个体同时哺育后代，可以有效提高后代的存活率。有三种基本的婚配类型：一夫一妻制（单配偶制），多配偶制（一夫多妻或者一妻多夫），还有乱交或叫群婚。有趣的是，90%的鸟类都是一夫一妻制的，这对于育雏非常有利，比如一只鸟可以出去觅食，另外一只可以保护领地。一夫一妻制可能只持续一个繁育周期，当幼崽成熟离开以后，个体可以更换配偶。也有的一夫一妻可以维持多个繁育周期。也有一生都在一起的。有一项统计显示在68种灵长类当中，一夫一妻制的大概有11种，多配偶制的有23种，群婚或者乱交的有34种，所以灵长类动物的配偶类型是很多样的。

       究竟人类的一夫一妻制是生物层面上的，还是后天由社会文化因素制约的，是个有趣的问题。因为人类一胎能生产的数量很少而且人类婴儿有着漫长的成长周期，这种情况促使雌性要想方设法把雄性留在身边。稳定的婚配制度就是其中一个解决方案。还有人说一夫一妻制能促进人类社会的稳定和人与人关系的平等，有利于大规模的社会协作。

孤独感的神经生物学研究

主持人：能介绍一下您自己的研究课题吗？

刘博士：与爱相反，我的课题是研究孤独感产生的神经生物学机制。孤独感是人类的主观感受，所以严谨地说，这个问题其实是探究社会需求（social need）是如何被调节的。对社会活动的需求是一种非常本能的需求，类似睡觉，如果一天不睡觉，第二天就会产生非常强烈的想要睡觉的动机。社会需要也是同样的，一段时间的独处或者社会隔离可以激发我们找人聊天的动机。如果这个动机得不到及时有效的满足，有可能进一步导致负面的情绪和焦虑。和人类一样，很多动物如果单只饲养一段时间，也会有焦虑的反应。这都说明对社会活动的需求有演化上统一的机制。而我的课题就是希望了解这种社会需求是如何在大脑中表征的。

主持人：疫情期间大家都在闭关，您会有什么实用的小建议来帮助大家避免孤独，保持社交平衡呢？

刘博士：这的确是一个非常实际的问题，我自己也在家待了三个月了，能明显地感觉到心理上的变化。视频聊天、看电影、看综艺都可以帮助我们补充社会信息。但是这些活动只能补偿视觉和听觉的信息，我们的触觉还没有被满足。有人发明了一种拥抱机器（hug machine），你可以躺在这个机器里面，它像夹子一样合起来，对身体进行挤压，从而使人产生一种安全感。

科研经验与分享

主持人：您之前一直是研究动物行为学的吗？之前和现在的研究有什么相同或不同之处？

刘博士：其实区别还挺大的，我之前的研究偏向于高等认知。我在博士期间研究的是工作记忆（working memory），它相当于大脑的缓存，能暂时存储信息，完成一些在线的运算。我的工作是研究哪个脑区以何种方式处理工作记忆。我博后的工作换了一个研究领域，从认知神经科学转到了社会行为的神经科学。我觉得高等认知功能还是非常复杂的，用啮齿类来研究这些功能距离真正理解人脑中的认知还相距甚远。对于社会行为来说，物种之间的保守性更强。而且社会行为也非常重要和有趣，我也希望接受不同领域的训练来拓展自己的科学背景。

主持人：您在做实验的时候有经历过失败吗？如何面对阴性的实验结果？

刘博士：我们在做实验的时候有很多不可控的因素，会经常事与愿违，得到与假设相反的实验结果。我个人的经验是，首先要非常客观地去分析这件事情，如果是确凿的阴性结果，它也是我们对世界的一种认识，有时甚至是更重要的认识。实验失败一定会有负面情绪，要先意识到负面情绪的存在，短暂与它共处，然后积极把状态调整回来。另外，快速的失败其实是高效的排除，从而找到行得通的办法。

主持人：您认为对于科研工作者来说，什么样的能力比较重要？

刘博士：质疑的能力很重要，有一个说法叫“关于问题的问题才是最重要的问题”，就是说如何发现问题才是最重要的。往往一篇文章的水平是与一开始的立意相关的。平时要有意识地训练自己提问题的能力，在不断讨论思考的基础上，提出自己批判性的见解。另一方面是要突破自己的舒适圈，先做到，再做好。最后想说的是我们做科研的目的，最终还是提高人的幸福感和生活质量，我们研究爱的目的也是希望能施予爱。所以不能因为做科学研究，就把自己变成一个孤僻甚至与社会脱节的人。

主持人：那么也希望每一位科研人员都能将自己内心的热忱也分享给其他更多的人。非常感谢刘博士今天的分享，让我们知道了爱和被爱到底有怎样的神经生物学基础，让我们更好地面对当下疫情所产生的孤独感。我们下期再见！

嘉宾名片

个人简介：刘鼎博士，2010年毕业于河南大学，2016在中科院上海神经科学研究所获得博士学位。其博士论文发表在Science杂志，阐述了大脑前额叶处理 “工作记忆” 的新机制。2016年至今在哈佛大学分子与细胞生物系做博士后，专注于动物社交本能和孤独感的研究。曾获得研究生国家奖学金，吴瑞奖学金，中科院院长奖，Jane Coffin Childs 博士后奖学金等荣誉。2015年应邀参加德国林岛诺贝尔奖获得者大会。2017-2019 国际青少年科学影像大赛评委；2018-2019 国际中学生科学与工程竞赛（ISEF）评委。

联系方式：ding_liu@fas.harvard.edu

实验室网站：https://www.mcb.harvard.edu/directory/catherine-dulac/

代表论文：

1.    Liu D*, Gu X*, Zhu J*, Zhang X, Han Z, Yan W, Cheng Q, Hao J, Fan H, Hou R, Chen Z, Chen Y, Li CT. (2014) Medial prefrontal activity during delay period contributes to learning of a working memory task. Science, 346, 458-63.

2.    Liu D, Gu X, Zhu J, Li CT. (2014) Functional contribution of medial prefrontal cortex in working memory task learning. Chinese Journal of Cell Biology 36, 1597–1600.

3.    Yao H, Wang T, Deng J, Liu D, Li X, and Deng J. (2014). The development of blood-retinal barrier during the interaction of astrocytes with vascular wall cells. Neural Regen Res 9, 1047-54.

策划：Kelsey

主持人：Isabella   

编辑：兰花豆   

排版：毛毛

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