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鼠年说鼠丨老鼠为何关心他鼠——共情产生的神经机制

脑人言 脑人言 2022-06-09
收录于合集 #鼠年说鼠 5个

撰文丨关耳（浙江大学 神经生物学博士生）
责编丨周晴
排版丨夏獭 

理解他人的情感状态对人类的社交互动具有极大帮助，共情（empathy）在其中起到了重要作用。共情是指识别他人的感觉、思想和意图，并对此做出适当反应的能力[1]。比如当人们（观察者）间接地感觉到他人（被观察者）的情绪，会引发情绪共鸣，从而明确他人的处境和心绪，促使观察者帮助被观察者消除困扰，提供安慰。正如英国著名的经济学家、哲学家亚当·斯密（Adam Smith）所说：
“Place ourselves in his situation, and conceive ourselves enduring all the same torments, we enter as it were into his body.”
                                             
《道德情操论》亚当·斯密著

分享、欣赏和回应他人情感的能力随着时间进化，共情的体现形式从原始的行为模仿和情感传染，到高级的利他主义和互相帮助[2]。令人惊叹的是，共情并不是人类独有的能力，也存在于啮齿类动物中。最近的证据表明，老鼠对与“他鼠”的情绪状态具有显著的敏感性，能识别同类之间的不同情绪状态，从而表现出一系列共情样行为[3-6]。
人类和动物可以通过观察同类对某些厌恶性刺激的反应，从而对该刺激产生恐惧厌恶反应。观察者通过观察而产生的恐惧反应是由被观察者的情感状态传染引起的，这种现象称为观察恐惧学习（observational fear learning, OFL）。在这种观察恐惧学习中，情感共情（affective empathy）起到了重要作用。由于简单、稳定、适用性广，OFL常常用于啮齿类动物共情研究。在该实验中，将观察者感受到被观察者的恐惧厌恶情绪作为非条件刺激（unconditioned stimulus, US）并与周围环境偶联。



观察性恐惧学习实验方法

来源：Kim BS, et al. Psychopharmacology. 2014.


通过OFL，学者发现了多个参与共情的脑区和神经环路，这些脑区参与不同功能，并互相协作，成了老鼠“关心他鼠”的关键所在，下面就让我们来认识一下这些脑区。

前扣带回皮层
anterior cingulate cortex, ACC


既然共情和观察恐惧能让观察者体会到他人的情绪，那么就必须激活与被观察者相同的大脑神经环路，这一过程称为感知动作机制（perception action mechanism, PAM）。功能磁共振成像（fMRI）研究已经证实，观察他人的情感状态会激活参与直接体验这些情感状态的大脑网络[7]。来自fMRI的结果显示，观察者的ACC会在感受到他人痛苦时被激活[8]。在人类实验中，ACC被证明参与了恐惧社交信息的处理[9]。而观察到他人痛苦时，ACC神经元会有镜像发放活动，其编码模式与直接感受疼痛的模式相近。此外，使用观察恐惧范式，发现在看见其他大鼠遭受足部电击时，先前已经经历过足部电击的大鼠的ACC放电增强[10]。
ACC从多个脑区接受感觉输入，比如皮层和丘脑，而这些感觉的输入可能在ACC编码OFL的继发性疼痛中起到重要作用。比如ACC与视觉皮层有相互联系，而阻断视觉信息后，观察者的继发性疼痛反应就会大幅减少，说明视觉是参与OFL共情编码的重要感官输入，并由ACC对视觉刺激的显著性（salience）进行评估编码。
丘脑在痛觉从脊髓传递到皮质的过程中必不可少[10]。而ACC能接受丘脑中内核（midline and intralaminar thalamic nuclei, MITN）的伤害性信息输入。ACC的神经元读取从丘脑传入的痛觉信息后，处理与评估关于疼痛的的信息，并对疼痛情感编码 [11]。
这说明ACC在汇总共情信息的感觉输入中起到重要作用。

基底外侧杏仁核
basolateral nucleus of the amygdala, BLA
来自人和动物的研究显示，社交恐惧信号通过不同的感觉输入汇总到BLA[12]。与ACC相似，BLA的神经元活动在感受到他人痛苦时的发放与自身痛苦时的发放模式类似。BLA中神经元能够编码疼痛强度的感知，同时BLA又是情绪表达和情感编码的核心脑区，并且参与社交信息的处理。
有趣的是，BLA与ACC之间存在强烈的互相联系。在情感共鸣产生共情的过程中，BLA和ACC的神经元活动同步激活，其二者放电频率具有很高相关性[5]。他们分别参与编码继发性疼痛的不同部分，ACC参与对OFL的认知和情感的编码，而BLA则负责对OFL产生的情绪效价进行编码并存储，并且ACC能够自上而下调控BLA对社交情感的编码。
在啮齿类动物中，“体味”的交流起到重要作用，许多社交信息和感觉信息都可以通过味道进行传递。嗅球刚好与杏仁核形成强烈的投射联系，因此在OFL中，由气味引发的社交学习能够直接通过嗅球传到杏仁核并被编码，强化情感效价[13]。
这说明杏仁核在编码共情情感中起到重要作用。

岛叶皮层
insular cortex
岛叶皮层参与了情感和感-知觉意识的评估和体验，并且在多种涉及疼痛的行为和情感中都被激活。岛叶皮层直接接受社交非条件刺激(social US)产生的疼痛伤害信息，并把伤害感受信息传递给ACC。在OFL过程中，岛叶皮层活动是必不可少的，并且岛叶-杏仁核环路在对疼痛的评估中发挥作用。此外，在大鼠进行社交情感任务期间，对岛叶的抑制破坏了社交情感行为的发生，但不影响自身的痛觉体验[14]。
这说明岛叶对社交信息的和认知的编码起到重要作用。

皮层微环路
cortical microcircuitry
皮层中有多种兴奋性谷氨酸能和抑制性GABA能神经元，维持皮层的信息敏感程度。其中GABA能神经元主要有3类，分别是血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide, VIP），生长抑素（somatostatin, SST）和小清蛋白（parvalbumin, PV）神经元。不同的中间神经元构成动态环路调节的重要元素，可实现皮层中的输入输出信息的转换和计算，他们又同时接受来自其他脑区的投射，对椎体神经元活动进行动态调节。ACC中的SST中间神经元的激活或抑制能双向调控由OFL引发的共情样行为，这是由于其主要投射到ACC椎体神经元的树突，能对信息输入进行远端抑制，而PV神经元则没有这种作用，表明ACC微环路中SST神经元在OFL中的重要性。
这说明皮层微环路在共情的信息汇总、情感认知的输出中起到重要作用。


最后让我们总结一下，老鼠之所以会关心他鼠是由于多个脑区的互相作用。在OFL中，岛叶皮层接受社交信息与疼痛信息，并将这些信息编码整合输送到ACC。而ACC内的微环路通过整合其他脑区的输入信息，结合自身先前的经验，汇总成最终输出，并将信息传到杏仁核。杏仁核主要负责编码情绪效价，并形成这种情绪感受的记忆。同时杏仁核又会将编码后的信息输入ACC，ACC实行高级决策功能，决定老鼠后续的行为表现。这些脑区在结构上互相连接，功能上互相协助，从而使老鼠能根据他鼠的状态而做出自身反应。
虽然学者已经找到了多个与共情相关的脑区，但在啮齿类中研究共情仍然具有挑战性。目前对于共情的神经元和突触机制了解甚少，OFL能否完全解释共情也有待商榷。但不可否认的是，共情是一类重要的情感，对共情的探索将会是未来神经科学领域的一大方向。目前，我国的脑科学一体两翼计划，就将共情的研究作为重点之一，等待更多的学者进行深入研究。
END

图片来源网络
参考文献：
[1] de Waal, F.B. (2008). Putting the altruism back into altruism: the evolution of empathy. Annu. Rev. Psychol. 59, 279–300.
[2] de Waal, F.B.M., and Preston, S.D. (2017). Mammalian empathy: behavioural manifestations and neural basis. Nat. Rev. Neurosci. 18, 498–509.
[3] Ben-Ami Bartal, I., Decety, J., and Mason, P. (2011). Empathy and pro-social behavior in rats. Science 334, 1427–1430.
[4] Burkett, J.P., Andari, E., Johnson, Z.V., et al. (2016). Oxytocin-dependent consolation behavior in rodents. Science 351, 375–378.
[5] Jeon, D., Kim, S., Chetana, M., et al. (2010). Observational fear learning involves affective pain system and Cav1.2 Ca2+ channels in ACC. Nat. Neurosci. 13, 482–488.
[6] Langford, D.J., Crager, S.E., Shehzad, Z., et al. (2006). Social modulation of pain as evidence for empathy in mice. Science 312, 1967–1970.
[7] Lamm, C., Decety, J., and Singer, T. (2011). Meta-analytic evidence for common and distinct neural networks associated with directly experienced pain and empathy for pain. Neuroimage 54, 2492–2502.
[8] Singer, T., Seymour, B., O’Doherty, J., et al. (2004). Empathy for pain involves the affective but not sensory components of pain. Science 303, 1157–1162.
[9] Bliss, T.V., Collingridge, G.L., Kaang, B.K., et al. (2016). Synaptic plasticity in the anterior cingulate cortex in acute and chronic pain. Nat. Rev. Neurosci. 17, 485–496.
[10] Atsak, P., Orre, M., Bakker, P., et al. (2011). Experience modulates vicarious freezing in rats: a model for empathy. PLoS ONE 6, e21855.
[11] Vogt, B.A. (2005). Pain and emotion interactions in subregions of the cingulate gyrus. Nat. Rev. Neurosci. 6, 533–544.
[12] Debiec, J., and Sullivan, R.M. (2014). Intergenerational transmission of emotional trauma through amygdala-dependent mother-to-infant transfer of specific fear. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 12222–12227.
[13] Twining, R.C., Vantrease, J.E., Love, S., et al. (2017). An intra-amygdala circuit specifically regulates social fear learning. Nat. Neurosci. 20, 459–469.
[14] Rogers-Carter, M.M., Varela, J.A., Gribbons, K.B., et al. (2018). Insular cortex mediates approach and avoidance responses to social affective stimuli. Nat. Neurosci. 21, 404–414.




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