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科學人觀點

Are you lonesome tonight?

2021-02-01 曾志朗
孤獨確實會引發腦神經組合的改變,而這個改變可能是萎縮,也可能是擴張;結果可能是負面的,也可能是促進社會認知的動力!

圖片來源:Livia Tomova
學期結束,放寒假了。原本就因防疫而少見群聚的校園,更顯得空盪寂靜。一早我來到研究室樓層,一片漆黑,眺看四周,陰暗的氣氛帶來一股孤獨感。其他老師呢?哦,我忘了,今天是星期日!隨手把靠近研究室的廊燈打開,走進房間,開燈、開電腦。一串相同主旨的郵件都是半夜傳來,果然是我那幾位在美東耶魯大學哈斯金實驗室的研究者和博士後研究員,較往日更勤奮的透過e-mail群組互通訊息,報告研究進展或詢問合作對象。很有趣的是,美國疫情嚴重,校園成為禁地,實驗室也都關了,這些研究員被迫在家上班,每天靠著視訊、即時通訊軟體加e-mail,討論研究和論文寫作,不見絲毫鬆懈。沒有實驗運作,當然沒有新的數據,但在文獻的搜尋、閱讀和分析上,更積極也更深入!


看到因疫情蔓延而關禁閉的遠方同事,比從前自由時期更加努力用功,一方面感動,一方面也好奇,是什麼樣的心理驅動力,使得處在孤獨情境中的他們,越發主動的「用心動腦話科研」呢?


其實人和動物離群索居,或被剝奪和他人或同屬動物的接觸,時間一久,就會產生異常行為,包括沒有安全感,和極端的社會冷感。很多人更會因為孤獨無友而產生憂鬱症,免疫力也急速下降,使得原本不算嚴重的其他疾病,變本加厲成為死亡的殺手。2018年英國為防止孤獨造成社會的負面影響,特別設置了防範孤獨的「孤獨部長」(minister for loneliness),好扭轉社會孤獨現象惡化的態勢。所以對社會大眾而言,孤獨造成憂鬱,導致疾病惡化,提前老化,引起失智,縮短生命,都是充滿負面的論述。但從這一年的隔離,反而促進研究生產力的情況看來,不是很矛盾嗎?隔離造成孤獨,卻產生一體兩面的結果,的確是值得探究的現象。問題是我們有很多負面結果的研究,但積極面的證據何在?總不能以我們實驗室的經驗,以偏概全支持正面效應的說法,我忍不住也鑽進文獻中去找答案!


還好,我馬上就看到去年12月在《自然.通訊》上的一篇論文。加拿大馬吉爾大學的一群神經科學家從儲存了50萬人生物樣本的英國生物銀行(UK Biobank)裡,抽樣出4萬名40歲到69歲的志願者,請他們填寫問卷,說明他/她是否常有孤獨的感覺,再從資料庫中取出他們的核磁共振造影(fMRI),仔細比對自稱孤獨者和非孤獨者的腦神經影像。結果發現腦裡一般負責記憶、社會認知以及做白日夢的預設網路,在孤獨者的腦影像中,顯著的大於非孤獨者。這個研究非同小可,以往從沒有過這麼大型的腦造影比對(最多也是上百人而已),巨量資料提供了非常可靠的數據,說明孤獨者會不停回憶往事,建構虛擬社交的白日夢,從而改變腦神經迴路的組合,符合了「用進廢退」的原則。


這篇報告的正面意義是孤獨確實會引發腦神經組合的改變,而改變可能是萎縮,也可能是擴張;結果可能是負面的,也可能是促進社會認知的動力!更重要的是它指出了孤獨感不只是抽象的自我感覺,而是建立在腦神經的生理基礎上,有如飢餓感和失眠!接下來要問的是,這特殊的孤寂感神經細胞在腦的哪個地方呢?呼之欲出的答案就落在美國聖地牙哥沙克生物研究院年輕神經科學家泰伊(Kay Tye)的研究團隊裡。從院友通訊中看到這個團隊的成就,身為該院的訪問科學家,我感到一點都不孤獨!


泰伊的研究主要在使用光遺傳學基因工程技術,來識別並描繪出情緒、動機和社會行為有關的大腦神經迴路,她尋找和發現孤寂神經細胞的過程,是個值得列入教科書的研究典範。首先她使用了一套在史丹佛大學做博士後研究時由指導教授戴塞羅斯(Karl Deisseroth)所發明的精巧實驗技術,透過細緻微小的光纖穿過腦骨,把對光敏感的蛋白植入腦細胞,只要在腦外控制光源的開或關,就可以活化或消除該神經元的啟動。這使得她可以活化一個神經元,然後追蹤對該神經元發出的訊號產生反應的其他神經部位,這是她後來得以在神經迴路中檢測和量化孤寂感的關鍵技術。


泰伊後來到了麻省理工學院建立自己的實驗室,繼續研究齧齒動物大腦中對社交互動需求有關的特定神經元群,仔細描繪主管恐懼和焦慮的杏仁核內外錯綜複雜的聯結,證實了大腦「恐懼迴路」的千頭萬緒較以往所知有更細緻的動態變化。就在這時,她徵聘博士後研究員,留意到來自英國倫敦帝國學院的馬修茲(Gillian Matthews)。這位研究生曾在老鼠實驗中,意外發現隔離似乎改變了背側縫合核(DRN)神經元的腦細胞,也因此推測位於中腦的DRN神經元,可能是尋找已久的孤寂感所在地!


泰伊的光遺傳學技術應用到馬修茲的DRN神經元,果然發現了刺激這些神經元會使老鼠的社交行為更活躍,也發現受刺激的老鼠渴望社交互動並不是為了尋求快樂,而是避免因孤寂而產生的痛苦。在進一步的實驗中也看到,獨自隔離24小時的老鼠被放回群體,會積極和其他老鼠互動,但關閉這些神經元,就不再出現追求社交的行為,好似牠們的大腦並未感知隔離後的孤寂!這些實驗結果顯示,DRN神經元確實是調控孤寂感的「想要」(wanting)和「渴望」(craving)社交互動的生理平衡機制。


成功建立了老鼠孤寂感的腦神經機制,那人類呢?接下來的問題,當然是它也可以推展到人類孤寂感的腦神經運作嗎?實驗最大的困難是光遺傳技術的侵入性太強了,無法用於人體。研究者必須另覓蹊徑,用最佳化的fMRI成像,來監測和記錄流向大腦不同部位的血氧濃度變化,而且從以往建構的腦功能分佈圖中,選取有興趣探討的相關部位(region of interest, ROI)來追蹤可以顯示數千個神經元的活動變化。這項研究得力於沙克生物研究院的博士後托莫娃(Livia Tomova)和麻省理工學院的認知神經科學教授薩克斯(Rebecca Saxe)。前者善於fMRI的立體像素測量,後者長於設計社會認知和情感的實驗。泰伊、托莫娃、薩克斯和馬修茲四位女性科學家,合力完成人腦孤寂神經迴路的定位研究!


她們招募了40位18~40歲自認有廣大社交網絡而極少感到孤寂的受試者,每位受試者都需做完三個fMRI實驗。一個是讓受試者單獨隔離在提供各種食物的房間,從上午9點至下午7點,共10個小時,不和他人接觸,也沒有任何社交刺激(如社群網站、電子郵件或閱讀小說),然後讓受試者躺進fMRI儀,觀看人臉微笑(具有社交暗示)或食物的相片,掃描他們的腦神經影像。另一個則是不限制社交行為但需禁食10小時,然後在晚上7點進行同樣的fMRI實驗。還有一個則是沒有社交和飲食的禁令,也在同一時間進行同一個fMRI實驗。


實驗過程複雜,但大腦影像的結果卻很清楚。經歷社交隔離後,受試者看到人臉微笑照片,中腦DRN神經細胞(見上圖)的活躍較多;社交正常但飢腸轆轆時,對食物圖像反應強烈,對人臉微笑照片則沒有什麼反應。這個研究告訴我們,中腦的孤寂神經細胞在調控對社交活動的「想要」和「渴望」,和飢餓的生理機制是一致的!


「Are you lonesome tonight?」在Covid-19疫情方興未艾之際,讀到這一系列精采的實驗,我不禁對飽受隔離的遠方研究夥伴送上這句溫暖問候,同時鼓勵他們多做網上交流,多做白日夢,讓創意無窮!


# 關鍵字:科學人觀點神經
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