大脑区别的区域,看重视口图片就驾驭

日期:2019-05-04编辑作者:优德88手机版

日出而作,日落而息。对什么时候该睡觉,什么时候该起床的问题,我们的身体总是保持诚实。回忆一下熬夜看球或是通宵复习后的早晨,你那种迷迷糊糊脑子不好使的感受,便是不按照身体指令好好休息的代价。

如果你试过熬夜看球,熬夜工作,熬夜思考人生,就很可能也顺带感受过缺觉之后的呆滞、疲乏以及无尽的睡意。然而,身边总有那么些“超人”——平日里睡得少,一样精神好,偶尔通个宵,隔天也不太需要睡更多的觉来“补眠”。你也许会在羡慕中略带困惑:他们是怎么做到的?

政治意识形态(political ideology)常被认为是一个人对待性、家庭、教育及个人自主性等各个方面的看法与倾向的总和。由于这些看法从本质上来说是抽象的,人们往往认为政治观点纯粹属于理性认识,与生物学机制无关。但是,最近弗吉尼亚理工大学的研究者发现大脑对恶心图片的神经反应可以可靠地预测该个体到底是自由派还是保守派,这说明一个人的政治倾向具有一定的神经生物学基础。这一有趣的研究[1]已于10月30日发表在期刊《现代生物学》(Current Biology)上。

可是我们为什么要睡觉?有的人认为是为了保存能量和隐蔽;也有的人认为睡觉起着帮助身体恢复的功能;有理论主张睡眠是为了给新的学习记忆腾出空间,也有理论主张睡眠是为了给脑细胞一个机会排掉积攒了一天的“垃圾”。这个问题看起来简单,但事实上科学界众说纷纭,至今也没能给出一个确切通用的解释。

充足的睡眠对于保持身体健康和日间的状态都非常重要,但怎么才算“充足”却因人而异,有的人一天睡上9小时都意犹未尽,有的人每天却只需要睡不到6个小时。传说中,撒切尔夫人每天只睡4个小时,却仍能不改“铁娘子”风范。这样异于常人的表现型(Phenotype)背后,是否也有着与别不同的基因型(Genotype)?

以前的研究表明,人们与生俱来的一些特征会影响其后天形成的政治信仰,政治倾向可能和人的身高一样是可遗传的;也有一些研究表明,个人经历也会影响政治倾向。而且,越来越多的证据显示个体的认识和其情绪反应是紧密相关的,那么大脑对于情绪变化的神经反应是否就可以预测一个人的政治意识形态呢?里德·蒙塔古(P. Read Montague)教授所带领的研究团队设计了下面的实验,研究了这个有意思的问题。

不过,大量的科学研究也确定了一件事:我们的睡眠受到生物钟和睡眠内稳态这两大机制的调节,生物钟帮助你白天觉醒黑夜入睡,而内稳态则负责维持睡眠和觉醒的平衡——你处在觉醒状态的时间越长,你想要睡觉的需求也会越大。可想而知,长时间的睡眠剥夺并不是什么好事。只是,具体有多坏?近日,比利时列日大学的神经生物学家皮埃尔·马凯(Pierre Maquet)和同事就在《科学》杂志上发表了他们的研究结果[1]——为了搞清楚人们在该睡的时候没有睡觉时,他们大脑到底做了些啥,33名志愿者为科学“牺牲”了自己的睡眠。

图片 1“铁娘子”撒切尔夫人。图片来源:dailymail.co.uk

首先,研究者让83名志愿者观看能够引起情绪变化的图片,同时对其脑部进行功能核磁成像仪(fMRI)扫描。这些图片选自于国际情绪图片库(International Affective Pictures database),其中包括恶心的、威胁的,愉快的和中性的等各种图片。在扫描结束后,志愿者要利用标准化的测试量表来评定在扫描仪中所看到的图片。另外,参志愿者还要完成一个考察他们的政治态度、厌恶敏感性和焦虑水平的调查问卷。根据调查问卷结果,研究人员将所有参与者根据他们的政治态度得分分成三组:自由组为28人,中间组27,保守组28人。

马凯和他的团队招募了17名男性志愿者和16名女性志愿者,他们的年龄在21岁上下。这些志愿者们自愿接受“惨无人道”的待遇——在参与实验的过程中,他们有连续42个小时是不允许睡觉的!而为了确认究竟哪部分大脑在睡眠剥夺的过程中发挥了作用,他们需要接受12次功能性磁共振成像(fMRI)扫描。在每次fMRI扫描的过程中,他们还必须接受PVT测试(精神警觉性测试)以确定他们当时的反应能力。

一般认为,人的睡眠和觉醒过程,受到两套机制的调控,一套是控制近昼夜节律的生物钟,另一套是调控睡眠需求的睡眠内稳态。这两套系统相互作用,共同影响着我们什么时候睡,睡多久,睡得怎么样。在这两套调控机制中,一个叫DEC2(又叫BHLHE41)的基因发挥着特别的作用:它的表达受到生物钟的调节,表达出的蛋白质是一类转录抑制子,能够反过来抑制生物钟的核心调控元件CLOCK和BMALL1,最终影响人的睡眠时长。

图片 2该图显示的是保守组和自由组成员之间在面对恶心图片时大脑中发生神经应激反应的区域。其中红/黄颜色区域代表保守组的反应区域,蓝绿颜色代表自由组的反应区域。图片来源:研究论文

所幸,在完成这项“42小时不给睡觉”大挑战后,他们将能舒舒服服地睡个好觉。好梦之后,他们还将回来接受第13次fMRI,用来与睡眠剥夺时的数据进行对比。在实验的全程,研究人员还测量了参与者的褪黑素水平,褪黑素浓度的变化反映了他们的生物钟周期。

2009年,加州大学旧金山分校的徐璎研究组发现,DEC2蛋白上的一个氨基酸替换突变(第384个氨基酸残基从脯氨酸变为精氨酸,p.Pro384Arg)会导致人们呈现“睡得少”的表型[1]。在入睡时刻相差无几的前提下,携带这个突变的人所习惯的平均睡眠时间,仅仅是每天6.25小时,比同家族中不携带这个突变的人(平均每天8.06小时)要短得多。

在对保守组和自由组的行为学和对各类图片的血氧水平依赖反应(Blood-oxygen-level dependent ,BOLD)进行检测后,研究人员根据参与者整个大脑的BOLD反应模式使用一个机器学习方法(弹性网算法)对个体间不同的政治倾向进行了比对。结果显示在面对恶心图片时保守组和自由组成员之间大脑反应的区域明显不同。保守组的大脑反应区域是基底节、丘脑、中脑导水管周围灰质(PAG)、海马、杏仁核、背外侧前额叶皮质(DLPFC)、中颞上回(STG )、前辅运动区(pre-SMA)、梭状回(FFG)和额下回(IFG);而自由组成员的大脑反应区域为次级体感皮层(S2)、后岛、下顶叶(IPL)、前脑岛和中央前回。他们进一步用不同的恶心类别来提高预测的精密度,发现只有那些像残缺不全的尸体这类与动物性提醒物厌恶(animal-reminder)相关的恶心图片可以强有力地预测政治态度。

图片 3参与者们在睡眠剥夺实验前会在实验室睡两个晚上,分别用于适应实验室环境和睡眠基线测量,之后他们需要在5勒克斯照度21摄氏度的房间中待上42个小时(42h-CR)——不许睡觉。在这个过程中他们会经历12次fMRI扫描。而随后,他们能安心休息12个小时,再进行第13次fMRI扫描。图片来源:参考文献[1]

这一发现让费城儿童医院应用基因组学中心的雷纳塔·佩雷戈里诺和同事饶有兴致:DEC2上其他位点的突变会怎样影响人们的睡眠状况?他们对59对同卵双胞胎和41对同性的异卵双胞胎进行了“熬夜实验”——研究者在实验开始前一周收集双胞胎的日常睡眠数据,到参与实验后,双胞胎们先在实验室睡两晚安稳觉,然后便开始接受长达38小时的睡眠剥夺。在这段不能睡觉的时光里,他们需要每两个小时接受一次反应测试,检测他们在睡眠剥夺期间的反应力。被试反应时间长于500毫秒的次数可以反映“缺觉”对他们的影响。在熬过38小时之后,被试得以安心补觉。

研究人员还进一步检测了从单一刺激中得到的大脑各个区域的BOLD反应的变化,发现其随着时间变化的模型(BOLD反应的时间-序列数据)也可以用来预测个体的政治倾向。他们发现恶心的图片所带来的单一刺激就可以很好地区分保守组和自由组。相比于自由组,保守组的血流动力学响应有一个陡峭的斜坡和更高的峰值。研究人员还对每个有反应的大脑区域进行了分析,发现保守组和自由组的丘脑和背外侧前额叶皮质的BOLD反应的时间-序列模型差异最为明显,其次是基底核、FFG、pre-SMA、杏仁核、海马、PAG和MTG/STG。

对比不同时期的数据,研究人员惊讶的发现,睡眠缺失对大脑不同区域的影响并不是一致的。大脑对生物钟的反应大概可以分为两种:“严格听话型”和“不管不问型”。大脑皮层下的区域,包括中脑和丘脑等结构就属于前者——它们是生物钟的忠实哨兵,无论睡没睡好,活跃程度都还能与生物钟节律保持一致。而大脑皮层的大部分区域,比如前额皮质等等,它们就不大买生物钟指令的帐——只要睡眠需求大了,它们就会自动进入不活跃状态。马凯认为,这就是为什么在熬夜之后,即便是在本该精神的大白天,我们却依然会“迷迷糊糊”的原因。当你大脑的许多区域已经完全不理会时间的提示而自顾自得睡觉了,你怎么能要求它像平时一样反应机敏呢?

在分析双胞胎们的睡眠数据时,研究者发现了一位“天生睡得少”的男青年。实验前一周的睡眠记录显示,这个小伙子每天比他的异卵同胞兄弟少睡超过一小时。就算在经过38小时睡眠剥夺后的愉快补眠阶段,他也只睡了8个小时,他的兄弟则大睡了9.5小时。研究者对这对双胞胎的DEC2基因进行测序后发现,睡得少的那位携带着一个位于DEC2第五外显子上的氨基酸替换突变。不过,和2009年发现的p.Pro384Arg不同,这次的突变发生在DE2的第382位,从酪氨酸突变为了组氨酸(p.Tyr382His)[2]

虽然以前有研究使用皮肤电导反应、神经影像学和问卷调查等各种方法来检测情绪在政治倾向中的作用,但这是首次用fMRI方法揭示了在处理感官刺激的情绪加工过程中自由派和保守派的大脑活动模式的显著不同,通过大脑对于恶心图片的反应就可以精确预测个体的政治取向。这个结果会引发这样一个煽动性的观点:对一些非政治性刺激(如污染或者暴力等威胁)做出神经应激反应方式极有可能被用来预测一些抽象的政治观点(如对待枪支控制和流产的态度)。

长时间的睡眠剥夺导致的脑部变化也反映在参与者的行为上。随着清醒时间的延长,他们变得越来越焦虑不安,无精打采。PVT反应测试的结果也显示,睡眠剥夺使他们的反应时间变得更长,而受生物钟的影响,他们在凌晨的表现尤其差。也就是说,这些参与者的认知能力和情绪都遭到了睡眠不足的损害。而在充分的睡眠之后,fMRI测试和其他各项调查都显示,参与者的各项指标回到了正常水平。但需要注意的是,在这项研究中,这些测试并不是针对长期效应设置的,所以并不意味着醒两天睡一天就足够将熬夜的负面效应都“补”回来。

睡得少还不算本事。在“熬夜实验”过程中,尽管携带DEC2突变的男孩比兄弟更渴望睡觉,他在反应时间测试中的表现仍明显优于另一位:平均只出现6.8次“反应慢”的状况,他的兄弟反应迟滞的次数则达到11.5次。这样的结果提示,携带这一突变的人,不仅睡得少,还可能抵抗睡眠剥夺对神经行为造成的影响。

图片 4据加拿大广播公司报道,10月22日发生在加拿大国会山的枪击案中,在听到枪声之后,左派的新民主党议员马上钻到了桌子底下,而在本党会议室的右派保守党议员则拿起了旗杆当长矛使,准备与凶手搏斗。图片来源:thechronicleherald.ca

在一夜未眠后的早上9点保持清醒是一件非常困难的事——这是每一个有过刷夜经历的人都清楚的道理。而马凯的研究则揭示了这一道理背后的原因。生物钟和睡眠内稳态对不同的脑部区域有着不同的“控制力”,这也许能帮助科学家更好地了解睡眠对大脑各处的不同意义。而对于我们这样的普通人来说,马凯和他的团队告诉我们的最重要的一件事,我们早已听过无数遍:没事还是少熬点夜吧。

以“睡得很少,干活还好”闻名的撒切尔夫人,是不是也携带有这种突变呢?真相不得而知。但研究者表示,DEC2蛋白第362位到第384位也许的确是出现功能性突变的“热点”。利用分子生物学手段,研究者随后分析了这一突变蛋白的作用。DEC2原本能够抑制CLOCK/BMAL1和NPAS2/BMAL1的转录激活功能,但这一 作用在p.Tyr382His突变携带者中丧失了,从而改变了突变携带者的睡眠时长和缺觉时表现,产生了看起来很了不起的睡眠表型。

虽然实验结果表明政治信仰有着明确的神经生物学基础,但研究人员也提到,遗传和生活经历都对其神经基础的构建起着非常重要的作用。在本研究中,他们并没有区分开遗传学和生活史对此所起的不同作用。蒙塔古表示:“这可能与人的身高一样,虽然身高是与遗传密切相关,但是事实上营养,睡眠,饥饿,大的身体损伤等等都可以改变一个人的最终身高。然而,说到底高个子人更可能有高个子的孩子。”[2]

(编辑:Calo)

此外,这些发现也提示,经典的生物钟元件,也可能跑到睡眠内稳态的调控系统内发挥作用。各种基因变体影响睡眠的具体分子机制还有待探究。或许有一天,我们能在摸清睡眠机制后,找到既能缩减睡眠时间,又能提高缺觉时状态的“妙方”,但在此之前,还是别妒忌那些带有DEC2 p.Tyr382His突变的人们了——遵循自己的睡眠需求,建立良好的作息习惯,才是保持健康状态的真正妙方。(编辑:球藻怪)

从这种意义上来说,也许本论文中的新发现可以帮助我们找到一种政治分歧更少的未来。人与人之间可能真的从最开始的遗传上就有所不同,但在后来的生活中我们也有独特的能力自己做决定,并改变我们的想法。

参考文献:

  1. Muto, Vincenzo, et al. "Local modulation of human brain responses by circadian rhythmicity and sleep debt." Science 353.6300 (2016): 687-690.

苏木七对本文亦有贡献。

蒙塔古认为:“如果我们一开始就认识到人们对于一些政治问题的倾向可能仅仅只是‘本能’的反应,那么我们对很多政治讨论的热情就会冷却很多。”(编辑:球藻怪)

文章题图:hatrabbits.com

参考文献:

  1. Ying He, et al. (2009) The Transcriptional Repressor DEC2 Regulates Sleep Length in Mammals. Science, 325:866-870
  2. Renata Pellegrino, et al.  (2014) A Novel BHLHE41 Variant is Associated with Short Sleep and Resistance to Sleep Deprivation in Humans. Sleep 2014 ;37 (8): 1327-36.

参考文献:

文章题图:Selwyn Tait/Corbis Sygma

  1. Woo-Young Ahn, Kenneth T. Kishida, Xiaosi Gu, Terry Lohrenz, Ann Harvey, John R. Alford, Kevin B. Smith, Gideon Yaffe, John R. Hibbing, Peter Dayan, and P. Read Montague. Nonpolitical Images Evoke NeuralPredictors of Political Ideology. Current Biology 24 , 1–7.
  2. EurekAlert! Liberal or conservative? Reactions to disgust are a dead giveaway 

​文章题图:wordpress.com

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