“对本能行为的理解,将在很大程度上帮助人们揭开大脑的神秘面纱,让人们了解到底大脑的‘本底结构’特征,哪些能力能在未来被开发利用,能为真正模拟人脑的类脑智能技术提供一些新的研究线索。”
王立平
中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所所长
深港脑科学创新研究院院长
薛定谔说的是对的,“人的本性就是吃”。不过除了吃,大脑还有很多其他基本的功能去维持机体的正常运行。其中最主要的功能是要保证机体生存,只有生存下来才能进行其他的学习,获得其他更高级的功能。
任何生物的延续都需要从吃开始。没有食物,就要捕获食物;而作为被捕食者,就要学会防御。吃饱后就睡觉,睡醒后就会想其他一些美好的事情,比如求偶。
照片中的这个帅哥,美女走过去了,他还会回头再看看,其实这都是非常本能的反应。或许他会跟女朋友解释,说自己并不是为了看美女,只是想看看她穿的裙子后面有什么图案。
这也说明他可能在探索一个非常新奇的东西,而这种探索的能力,也是非常本能的,与生俱来,不需要去学习。
照片中公狮和母狮的交配,老虎妈妈对老虎宝宝的关爱……这些都是非常本能的行为,正是这样才有了下一代,才能保证物种的生生不息。
爬行脑、情绪脑和理性脑生物学家把大脑分成了爬行脑、情绪脑和理性脑。
本能行为由大脑主宰
如果你正在一条小巷中散步,突然蹿出来一条狗,你会怎么做?跑!如果周围正好有一扇开着的门,不管这户人家你认不认识,可能最好的办法就是跑进去、藏起来。
做出这种行为就是动用了爬行脑。所有的动物都有类似爬行脑的大脑功能,用以维持基本的生理活动——防御天敌。
如果后来你非常荣幸地碰到了一位美女,并且和她发生了一些浪漫的故事。回忆起这个故事,你感觉非常美好。当然,也许有人的感受并不美好,因为那位美女骗走了他的元钱。感觉好或不好,就动用了你的情绪脑。
在这个巷子里行走到的时候,你数出这里有个酒吧,20个卖水的地方,它们加在一起的数量是个,这个时候,你就动用了你的理性脑。理性脑是后期获得的能力,从而形成的一种理性概念。
而我今天讲的行为都是不需要学习,天生就有的。比如婴儿天生就有的手掌抓握反射、吮吸行为等,这都是本能行为。
这段视频显示了一个正在走路的女士突然被别人一吓,条件反射地跳了起来,然后转身就跑。有人说“跳”这个动作是后学的,不是天生就会的。“跳”这个动作或者能跳多高或许是后期习得的或训练的,但能够做出这种动作却是下意识产生的一种防御性行为。
再来看这只正在草丛中找东西吃的小鼠,如果它只专注于找食物,而没有能力防御老鹰的话,它肯定早就成为了老鹰的食物。
几千年前我们的祖先就已经把本能行为定义得非常清楚了——“饮食男女,食、色、性也”。
这些是人的本性,不需要后天去学习,大脑的基本功能之一就会去执行、去负责、去管理这样的行为,以便让我们能够生存下来,然后再学习其他东西。
年诺贝尔生理学奖得主、动物学家洛伦兹曾从生态行为学的角度定义本能行为——未经学习的婴幼动物就具有的一些基本能力(包括进攻、防御、进食、睡眠、生殖、求偶等);在同一物种的个体间变化不大,且在不同的环境中保持相对稳定;对个体的生存和物种的繁衍非常重要。本能行为都由大脑负责。
解析大脑与动物的本能大脑是一个非常复杂的物体,如果说浩瀚的宇宙中有亿颗行星,那大脑中就有亿个神经元,大脑和宇宙一样复杂,一样深不可测。
大脑的复杂性堪比浩瀚的宇宙
说它复杂不仅仅因为神经元的数量多,还因为神经元之间的连接特征非常复杂,细胞种类非常复杂。
举个例子,我们把这个报告厅比喻成大脑,将报告厅中穿白衣服的男生定义为某一类神经元,但这个角落穿白衣服的男生和那个角落穿白衣服的男生所负责的事情可能就是不一样的。
亿个神经元在不同的脑区有不同的功能,呈不同的分布特征,有不同的遗传特征,这些构筑了大脑非常复杂的神经网络。这些神经网络执行着复杂的生理功能,包括本能行为。
怎么解读大脑的功能呢?最常用的方法就是给大脑一个信息输入,然后进行信息读取。这就好比你打一下旁边的人,给他一个信息输入,然后看他的反应——他可能打你一下,或者是躲一下。
我们常常把大脑比喻成一个黑箱子,我们不知道里面是什么结构,所以我们只能通过这种方式去了解大脑。
比如我们先记录一个小孩正常行为下的脑电图,然后让一条狗来追他。孩子肯定会跑,那么他是一边跑一边喊,还是选择躲在什么地方呢?这些行为会动用大脑的什么功能呢?
通过记录脑电图等发生的变化去研究大脑中的哪些细胞、哪些核团、哪些脑区可能参与了这些行为,进而解析大脑运行的一些基本规律。
在这么复杂的神经网络中去解析大脑运行的规律,当然很难。亿个神经细胞中,有那么多的种类,那么复杂的连接方式;如果将其中神经纤维首尾相连,可以绕地球4圈多,现在却集中在一个1.5千克重的脑空间里。
我们该怎么去解析呢?生物学家们发现了一个新方法。
人体中本来是没有感光细胞的,但我们利用基因工程,将某一物种中的“感光基因”“植入”到大脑中特定的神经元上,然后再将一根光纤插进大脑中,当光纤照射的时候,光照虽然照到了所有的神经元,但只有被植入了感光基因的神经元能对特定波长的光起反应。
给大脑加个开关:光遗传神经调控技术
这种方法就像踩刹车、油门;用不同的光敏感的基因,我们就可以实现蓝色光能让这群神经元兴奋起来,而*色光能抑制这群神经元。用一束蓝光或一束*光就可以非常精准地调控(兴奋或抑制)大脑中复杂的神经网络体系了。
这些神经元到底要干什么?它们对大脑有什么贡献?通过光遗传神经调控技术,我们去调控这些神经元,看它们能不能刺激大脑做出某些行为,如果能,就表明我们可以精准地调控某些动物的某些功能。
比如这只小黑鼠和这只小白鼠,它们原本是好朋友,关系非常亲密。但就是因为小黑鼠的脑里被植入了感光基因,所以被光调控后的小黑鼠现在正拼命地撕咬小白鼠。可以想象,如果小白鼠的个头很小,它一定会被咬死。
光刺激下丘脑某类负责进攻的神经元(ESR1)加州理工学院DavidAnderson’lab(Cell,)后来科学家制作了一个类似蟑螂的机器人,原本小黑鼠看到它还觉得很好玩,并没有产生去咬死的冲动。但只要打上一束光,小黑鼠就开始拼命地抓捕它。通过这种方法,我们就可以找到大脑可能负责捕获猎物的神经元。
光刺激丘脑一类神经元控制捕食(ZI的GABA神经元)
上海科技大学沈伟实验室(NatureNeuroscience,)
同理,我们也会找到负责其他行为的那些神经元。
恐惧在本能中或许拥有至高无上的地位还是举被狗追的例子。如果你正在咖啡店里喝咖啡,享受着美妙的时光,这时闯进来一群狗,你会怎么办?你要不就钻到桌子底下,要不就跑到其他房间去,这个时候你是绝对不会再继续享受你的美妙咖啡时光的。
所以,和其他本能相比,恐惧或许拥有绝对的、至高无上的地位。因为如果动物没有恐惧这种本能,它可能就会失去生命。
同理,如果你正在打盹,突然传来几声狗叫,你也不会继续睡觉,你也会弄清楚到底发生了什么。不过大脑中到底是哪些神经元负责人们做出相关的动作(不同大脑状态之间的精准切换),至今还是个谜。
我们实验室也一直