為人父母的需求如此之大，以至於人們不禁想知道為什麼任何成年人都會接受這一挑戰。哺乳動物的幼崽尤其無助——在哺乳動物中，只有人類能夠超越個體的犧牲，理解一個物種的生存取決於對幼崽的照顧。
然而，所有哺乳動物在成為父母后改變其行為的方式都具有顯著的一致性。突然之間，它們被激發去照顧它們的幼崽，並知道如何餵養和庇護、撫養和保護新生嬰兒。父母也會放棄大量的成人社互動動，無論是與其他小鼠交配還是與朋友一起去酒吧。“這意味著，照顧後代的動力存在著本能的或基因程式化的方面，”哈佛大學的神經科學家凱瑟琳·杜拉克說。但是，如果像育兒這樣複雜且多變的行為是預先設定的，那會如何運作呢？ 本週在《自然》雜誌上報道，杜拉克，也是霍華德·休斯醫學研究所的研究員，和她的同事們提供了小鼠大腦中協調育兒行為的完整迴路的佈線圖。這項研究標誌著首次解構了複雜社會行為背後的腦回路結構。
他們描述的迴路類似於航空公司使用的中心輻射式飛行路線系統，並依賴於一種表達訊號分子加蘭素的神經元。相對少量的這些加蘭素神經元在大腦結構下丘腦中形成一個育兒指揮中心——內側視前區 (MPOA) ，下丘腦負責控制從食慾到性慾的一切。響應來自大腦各處的感官輸入，中心的神經元向至少 20 個下游加蘭素神經元亞群傳送不同的資訊。就像一個機場航站樓根據目的地為乘客服務一樣，這些被稱為“池”的細胞亞群處理育兒行為的不同方面，例如梳理毛髮的運動控制或激發育兒的動機。
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人類是否存在相同的迴路尚不清楚。然而，下丘腦（最古老的大腦區域之一）和育兒行為通常在不同物種中表現出顯著的一致性，儘管其他方面存在差異。用科學術語來說，它們是進化保守的。“由於嬰兒非常脆弱，這些行為不太可能透過試錯法來完成，”杜拉克實驗室的博士後研究員、這項新研究的第一作者約翰內斯·科爾說。“這就是為什麼我們認為在人類身上可能會發生類似的事情。”
斯坦福大學的生物學家勞倫·奧康奈爾說，這篇論文代表了在增進我們對社會行為如何在大腦中組裝的理解方面的重要一步，他研究育兒行為的進化，但沒有參與這項研究。“這項工作向我們展示了在大腦中應該關注哪裡。它為我們提供了前進的道路。”
大量研究先前已經確定了參與親代行為的各個大腦區域，包括內側視前區。這些研究中的大多數是透過病變、破壞少量神經組織並評估由此產生的行為變化來完成的。該技術留下了許多關於涉及的特定細胞型別以及它們如何連線的未解之謎。 2014 年，杜拉克的實驗室發現了 MPOA 中一組加蘭素神經元的分子特性及其在育兒行為中的作用。研究人員使用基因和光學技術來開啟或關閉它們的活動，改變了成年人對幼崽的反應方式。例如，啟用通常會攻擊和殺死幼崽的未交配雄性小鼠中的加蘭素神經元，反而會引發梳理行為。
在確定了這組神經元的關鍵作用後，實驗室開始回答下一個問題。“最大的謎團是，在小鼠大腦中 1 億個神經元中，只有大約 6000 個神經元如何協調[育兒]行為，”科爾說。在假設存在一個覆蓋整個大腦的迴路後，他們開始使用杜拉克所稱的“一系列”現代神經科學技術來解構它。其中包括光遺傳學（其中光啟用特定神經元）以及在動物清醒並積極進行育兒時進行成像。
透過追蹤從下丘腦中心區域的神經元延伸出來的長纖維（稱為軸突），研究小組仔細研究了他們發現的 20 個池中的 4 個的功能和解剖結構。一組軸突投射到中腦的導水管周圍灰質，這是一個參與運動行為的區域。操縱該神經元池會影響梳理行為，但不會影響父母對幼崽的取回。腹側被蓋區 (VTA) 的一個池，一個與獎勵相關的區域，控制著從事育兒任務的動機。當 VTA 神經元受到刺激時，雄性和雌性小鼠都會更加努力地跨越放置在它們和幼崽之間的障礙物。第三個投射到內側杏仁核 (MeA)，這是一個情緒的場所，抑制了與其他成年人的競爭性社互動動，例如雄性對其他雄性的攻擊。第四個投射到室旁下丘腦核，這是神經內分泌控制的關鍵區域。該區域調節與育兒相關的激素，如催產素、血管加壓素和促皮質素釋放激素。“即使是複雜的行為也可以分解為它的組成部分，然後這些組成部分可以對映到離散的、不重疊的神經元組，”科爾說。
有趣的是，這種迴路讓人想起運動神經元控制脊髓運動的方式。“當你行走、奔跑或游泳時，每塊肌肉都需要由一個不同的神經元池來控制。正是這些不同池的協調功能使動物能夠以流暢的方式移動，”杜拉克說。“育兒也發生了類似的事情。”既然這種模式已經發現了兩次，那麼其他大腦回路也可能共享相同的邏輯。“這是一個第一個模型，”杜拉克說。“我希望它會是其他行為控制中發現的一種主題。但是誰知道呢？”
另一個重要的發現是，雄性和雌性的育兒迴路幾乎相同，儘管它並非總是在雄性中處於活動狀態。研究人員得出結論，加蘭素神經元根據動物的性別和繁殖狀態執行不同的輸入計算。
雖然還有很長的路要走，但這項工作將來可能會有臨床應用。例如，在產後抑鬱症等疾病中，育兒的動機成分會扭曲。假設人類存在類似的迴路，杜拉克說，“看看這些神經元在壓力和抑鬱模型中如何運作，以及是否可以進行干預以幫助緩解這些症狀，將會很有趣。”
神經內分泌學家、塔夫茨大學的羅伯特·布里奇斯說，目前這項研究大大增加了我們對大腦如何運作以及其連線如何與特定行為相關的基本理解，他是育兒神經生物學的先驅。他補充說，這項工作是迄今為止對專門用於育兒的大腦回路的運作進行的“最細緻的檢查”。