《自然》:对社会等级的认知 是刻在大脑里的

2022年03月20日 14:55 次阅读 稿源:药明康德 条评论

说到等级,我们首先会想到人类的社会形态。但实际上,社会等级并不是人类的专利,很多社会性动物都会自发形成社会等级。等级的存在避免了种群内过度的攻击行为和能量消耗;在个体层面,社会等级指导了不同个体的行为,让它们在动物社会中各司其职。

但问题是,动物是如何判断其他个体与自己的等级高低的?

之前的研究已经找到了参与这一过程的关键脑区。例如,2011年,胡海岚教授团队就在一篇《科学》论文中提出,小鼠内侧前额叶皮质(mPFC)的突触强度与社会等级密切相关。mPFC负责表征哺乳动物的社会等级,但这个结构具体如何表征这一信息、哪些神经元参与支配性行为的改变,仍然是未知数。

现在,一项发表于《自然》的最新研究揭示了哺乳动物的大脑如何编码社会等级,并利用等级信息来塑造自己的行为。索尔克生物学研究所的Kay Tye教授和上海交通大学卢策吾教授是论文共同通讯作者。这项研究发现,面对不同等级的个体时,小鼠的大脑活动模式存在差异。根据mPFC的活动,可以预测不同个体的等级高低,以及在面对竞争时谁能获胜。


研究团队首先让4只小鼠形成一组,让它们共同生活中一只笼子中。这时,这4只小鼠自然形成了社会等级:一些小鼠等级更高、行为更具支配性;另一些等级较低的小鼠表现出的行为较为顺从。随后,研究团队从共处一室的小鼠中抓取两只等级不同的,让它们通过竞争来获取食物奖赏。


为了捕捉在这一系列过程中的脑部活动,这支跨学科的研究团队采用了多项技术手段。他们使用的头戴式无线装置,可以以细胞分辨率记录自由移动的小鼠的脑部活动。为了同时记录多只小鼠的行动轨迹,研究团队基于深度学习,开发了一款名为AlphaTracker的计算机视觉追踪工具——即使是两只外表相近的小鼠,这款工具也能随时记录各自的运动、找到细微且难以肉眼测定的行为差异。最后,研究团队利用一个新的模型来分析,mPFC的活动能否预测特定的行为。

结果显示,小鼠一旦结成对,其mPFC中的神经元会表现出动态变化,而模型可以利用这样的变化来预测另一只小鼠的等级高低,预测的准确性达到90%。


研究团队原本猜测,只有在竞争开始时,用于推测社会等级的神经信号才会产生。但这项研究的结果说明,表征社会等级的信号始终存在于它们的大脑中。

那么,mPFC神经元的活动模式与它们的行为有着怎样的关系?在研究这一问题时,研究团队有了一项意外发现。他们发现,mPFC的活动模式与细微的行为改变相关,例如小鼠运动的快慢。基于这些行为模式,模型在竞争开始前30秒就能准确预测,哪只小鼠可以赢得食物奖赏。

看到这里,你可能会想:既然已经得知了两只小鼠的社会等级,那么自然是等级更高的小鼠能获胜。实际上,多数情况下的确如此,但低等级的小鼠有时也能赢得奖赏——而模型同样能预测出这样的结果。

研究团队表示,导致这一反常结果的关键在于求胜心态。如果低等级小鼠的竞争性心态更强,它们有时也能“虎口拔牙”赢得奖赏。


揭示了这些行为特征后,研究团队再次关注回小鼠的大脑。研究发现,从内侧前额叶皮质到外侧下丘脑(mPFC-LH)的神经通路负责调控这些与奖赏相关的社会竞争性行为。至此,这项研究首次捕捉到将社会等级与行为联系起来的脑部活动状态。

根据这些状态,在任意时间点,我们能根据大脑活动来预测实验动物的下一步行动。研究者还指出,相比于单独获取奖赏,面临竞争的小鼠脑部活动会出现变化。不过,即使是独处的动物,从脑部活动中也能解码出社会等级。

“这项研究进一步证明,我们在竞争与单独相处时,大脑的状态不尽相同,” Tye教授说,“无论是和谁在一起,当你意识到周围有其他人时,你的大脑就会使用不同的神经元。”

接下来,研究团队将检验这些动物对社会等级的表征最初是如何在大脑中出现的,以及其他类型的行为是否会受到影响。

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