城大科学家发现助动物感知危险的关键神经环路，为治疗幻听提供新研究方向
动物要在艰险的自然环境中求生，其与生俱来的先天防御本能，包括逃跑、僵立和攻击（flight-freeze-fight），至为重要。香港城市大学（城大）的神经科学家最近发现动物大脑中有一个重要的神经环路，它使动物能够尽早感知和整合环境线索，以便及时启动防御行为。今次的科研发现，为如何进一步研发有效方法去治疗出现幻听的精神分裂症病人，提供了新的研究方向。
这项研究由城大神经科学系黄俊康讲座教授（转化神经科学）贺菊方教授和助理研究教授陈曦博士领导。研究团队揭示了大脑内的前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）和听觉皮层（auditory cortex, ACx）在危机近在眼前时，如何连手帮助小鼠提高生存率。有关研究成果已在科学期刊《Cell Reports》上发表，题为“前扣带皮层直接增强在气吹促进的逃跑行为中的听觉皮层反应”（“The anterior cingulate cortex directly enhances auditory cortical responses in air-puffing-facilitated flight behavior” ）。
在艰险的动物世界中，重要的环境线索，例如空气的流动或气吹（air-puffing），再随后而来出現不寻常的声音，便有可能是危机逼近的信号，例如猎食者突袭的前奏。为了缩短作出防御行动所需的反应时间，动物需要尽快及极速地感知和整合这些预示危险的环境线索，从而迅速逃跑，以增加生存机率。但是，动物是如何做到这一点呢？
逃跑行为背后的脑神经运作
“在过去十年，科学家们研究了单一感官驱动的防御行为，以及它背后所牵涉的潜在神经回路。然而，人们对显著环境线索如何影响本能的防御行为，则所知甚少，但其实这对提高生存机率非常重要，尤其是当动物遇到迫在眉睫的危机时。”陈曦博士指出。
以往的研究发现，高响度的声音可以触发动物以逃跑避险的先天本能。在香港城大的最新研究里，研究团队在发出高响度的声音之前，向实验中的小鼠给予气吹，以模拟显著的环境线索。他们透过解剖学、生理学、光遗传学及化学遗传学的方法，深入研究了脑部负责认知功能的前扣带皮层和听觉皮层所组成的神经环路，如何控制小鼠的逃跑行为。
在实验过程中，香港城大的研究人员测量了小鼠在不同气压的“气吹”及不同强度的声音之下，小鼠逃跑的速度有何变化。他们亦使用了光纤亮度测量和细胞外记录等先进技术，详细记录了实验期间小鼠大脑活动的变化，并同时对瞳孔大小进行了监测。
以实验探索吹气及声音造成的影响
首先，研究团队展示了气吹会促进小鼠因声音而诱发的逃跑行为。在实验中，他们首先确认了声音能诱发逃跑行为，尤其是在高响度的声音。然后，他们进一步研究假若在声音之前出现气吹，会如何影响小鼠的逃跑行为。结果实验发现，在声音出现之前，即使仅仅是温和的气吹，也会令小鼠跑得更快，即是触发了更强烈的逃跑行为。这个模型为未来进一步理解动物与生俱来的防御行为，提供了新方法。
其次，研究团队展示了脑部的前扣带皮层会对气吹的相关信息进行编码，并通过把信息传递到“听觉皮层”，增强了听觉反应，从而促进了逃跑行为。他们还证明了这一个新发现的神经环路，对于动物整合气吹和声音这两大环境线索非常重要。假若抑制了前扣带皮层的活动，又或是抑制了它对听觉皮层的投射，会使促进逃跑的效果被中和。
此外，以往科学界对于听觉皮层由上而下调控的研究，主要集中于运动皮层如何向听觉皮层传递运动相关信息。但香港城大团队在今次的研究中，便进一步揭示了脑部的前额叶区也能调控和增强听觉皮层活动。
研究团队相信，由前扣带皮层及听觉皮层（ACC-ACx）组成的神经环路，对于动物整合气吹及声音的环境线索极为重要。激活这一环路，对动物能够在危险的自然环境中生存，或许至为关键。例如，气流（气吹）和不寻常的声音的同时出现，与只有声音，可更准确地帮助动物预测到猎食者的出现，从而使动物能够及早应变，更快地逃跑。
治疗幻听的可能解决方案
然而，过分敏感的神经环路不一定是好事。贺菊方教授指出，正如“每枚硬币都有正反两面”，凡事有利有弊，前扣带皮层若出现病理性的过度兴奋，可能反过来会令听觉系统过度活跃，诱发幻听等问题及症状。
贺教授认为，值得研究当中的启示：“从今次的研究结果可见，抑制前扣带皮层的过度兴奋可能有助于减少幻听，这为研发新方法去治疗有幻听症状的精神分裂症患者，提供了一个新的研究方向。” 他续说︰“但科学界仍需进行更多的研究，来了解前扣带皮层投射到感官皮层（如听觉皮层）的机制，以及上述机制与幻听等病理状况可能存在的关联。”
城大神经科学系的孙文健博士和汤朋博士以及城大生物医学系的梁烨小姐，是有关研究论文的共同第一作者。贺菊方教授和陈曦博士是论文的共同通讯作者。研究得到了香港研究资助局、创新及科技基金、医疗卫生研究基金和国家自然科学基金委员会的支持。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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