在凱·泰伊的記憶中，她一直想知道自己為什麼會有這樣的感覺。然而，泰伊一直想了解大腦中發生了什麼，而不僅僅是涉獵心理學理論。在2000年代初的大學裡，她找不到一門課程能夠詳細解釋流經大腦數萬億連線的電脈衝如何產生感覺。“沒有我想上的神經科學課程，”泰伊說，她現在是加利福尼亞州拉霍亞市索爾克生物研究所的一個實驗室的負責人。“它根本不存在。”
她回憶說，當她用博士論文的一個章節來論述情感時，她受到了批評。她被告知，情感研究在行為神經科學中沒有地位。泰伊當時不同意，現在仍然不同意。“我們認為情感是在哪裡實現的——在除大腦以外的其他地方嗎？”
從那時起，泰伊的研究團隊朝著破譯諸如孤獨和競爭等難以言喻的體驗的生物學基礎邁進了一步。在最近發表在《自然》雜誌上的一項研究中，她和她的同事們發現了一些基本的東西：大腦中的一個分子“開關”，可以將體驗標記為正面或負面。泰伊不再是追求這些問題的局外人。其他研究人員也在沿著同樣的思路思考。“如果你對任何重要的事情都有大腦反應，那麼它如何區分好壞呢？”紐約市西奈山伊坎醫學院的神經科學家丹妮拉·席勒說，她沒有參與這項《自然》論文。“這是該領域的一個核心問題。”
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這個開關是在泰伊的小鼠研究中發現的。如果它在人類身上也以類似的方式工作，那麼當聽到冰淇淋車的聲音而不是熊的咆哮聲時，它可能有助於人們啟用大腦中的不同通路。這種切換機制對於生存至關重要，因為動物需要在對比鮮明的場景中採取不同的行動。“這是我們將感官資訊轉化為動機意義的中心樞紐，”泰伊說。“在進化過程中，它將決定你是否能生存下來。在我們的現代社會中，它將決定你的心理健康和生活質量。”
如果開關被調整為負面體驗占主導地位，可能會導致焦慮或抑鬱。相比之下，對獎勵的過度渴望可能會引發成癮的幽靈。德克薩斯農工大學的神經科學家斯蒂芬·馬倫說，這項工作“可能會以我們以前從未想過的方式來解釋病理學”，他沒有參與這項研究。“我們過去更多地認為它是一種或另一種系統的紊亂。”但他說，也許一些精神疾病是由於大腦賦予體驗的正面和負面價值失衡造成的。
作為一名研究生，泰伊透過杏仁核（大腦深處的情感處理中心）來研究情感，這在邏輯上是合理的。2007年，她在一次會議上發表演講，強調了杏仁核在獎勵反應學習中的重要性，以及它在恐懼反應中的已知作用。她假設杏仁核內不同的神經元集合是良好和不良體驗記憶的基礎。
在2015年發表的一篇論文中，當時在麻省理工學院的泰伊和她的同事們在杏仁核的一個叫做基底外側杏仁核的部分發現了這些神經元。一組神經元是小鼠學習到音調預示著一口糖水所必需的，另一組神經元是它們將噪音與輕微電擊聯絡起來所必需的。為了定位細胞，研究人員使用了泰伊在幾年前開發的一種技術。這是光遺傳學的一種變體，即用光敏蛋白基因對神經元進行基因工程改造。通常，這使得它們可以用光啟用。泰伊設計了一種使用光遺傳學來追蹤特定神經纖維集合的連線的方法。
在確定了獎勵和恐懼通路後，泰伊想知道是什麼決定了訊號將要走的路徑：究竟什麼是正面或負面的“開關”？她的團隊提出了一個線索。當研究人員對每組神經元中開啟或表達的基因進行編目時，一個差異突顯出來：負面通路中的神經元顯示出更多的神經降壓素受體基因的表達，神經降壓素是一種訊號分子，它可以調節大腦主要的興奮性神經遞質穀氨酸，穀氨酸會導致神經元向其他神經元發出訊號。
根據這條線索，泰伊和她的同事們——特別是索爾克研究所的博士後研究員郝力——繪製了所有向基底外側杏仁核釋放神經降壓素的神經元。他們發現了三組與大腦中三個不同位置相連的神經元。為了弄清楚哪些纖維是相關的，研究人員做了一件不尋常的事情：他們使用了著名的基因編輯技術CRISPR來停用每組神經元中的神經降壓素基因。馬倫說，這是首次使用基因編輯技術從特定神經元群體中選擇性地刪除這種型別的神經遞質。
結果是：只有在其中一個神經元群體中，這種技巧才破壞了小鼠將音調與糖或電擊聯絡起來的學習能力。這組神經元來自丘腦，一個附近的感官中繼站。刪除丘腦中這些神經元中的神經降壓素使小鼠更慢地學習蔗糖獎勵，更快地編碼電擊，這可以透過諸如跑到輸送糖水的噴嘴和預測電擊時僵住等行為來證明。人為地啟用這些神經元導致了相反的結果：食物反應增強，恐懼反應減弱。
研究結果表明，大腦的預設狀態是負面的，需要神經降壓素的輸入才能將其切換到更積極的狀態。“我們需要一些東西來讓我們的大腦進入一種狀態，說，‘哦，這是一個有益的環境。我應該啟用我的系統來學習獎勵，’”泰伊說。“如果我沒有開啟它，我就會假設[情況]很糟糕。”
神經降壓素的參與也解開了一個時間之謎。動物可以學會將刺激物（槍聲和受傷計程車兵，或祖父母的拜訪和禮物）聯絡起來，這些刺激物之間間隔數十秒、數分鐘甚至更長時間。但典型的神經元反應，例如涉及穀氨酸的反應，發生在毫秒級。泰伊說，神經降壓素可以放大谷氨酸訊號，並使其持續更長時間。
專家說，這項工作最終可能為某些精神健康問題帶來療法。一種降低神經降壓素活性的藥物可能會透過使大腦更傾向於恐懼狀態來緩解成癮和相關的尋求獎勵行為。相比之下，增強神經降壓素的作用可能會使焦慮或抑鬱症患者以更積極的眼光看待世界。“對於各種各樣的精神健康障礙來說，這個靶點非常有吸引力，”泰伊說。
然而，劍橋大學的認知心理學家邁克爾·安德森說，目前尚不清楚這一具體發現是否會對臨床有所幫助，他沒有參與這項研究。他補充說，儘管如此，其影響可能是重大的。“我們對情感和條件反射的神經迴路瞭解得越多，我們就越有可能在此基礎上發展出長期的干預措施，”安德森說。
從短期來看，這項工作以重要的方式擴充套件了情感的硬科學，部分原因是泰伊發明了新的工具來解開大腦的機制。“這項工作是一項技術上的傑作，”馬倫說。“它真正在如何操縱神經迴路方面將該領域推向了新的方向。”