草原田鼠是一种小型的中西部啮齿动物，以同居和安顿下来而闻名，这种习性在哺乳动物中很少见。配对的伴侣形成关系，共享巢穴并共同抚养幼崽。在实验室中，形成配对关系的田鼠会为了接近其伴侣而努力。草原田鼠甚至表现出类似对其伴侣的同情，当伴侣感到压力时它们也会感到压力，并通过触摸互相安慰。正如疫情已明确揭示的那样，这种社会联系对人类的福祉至关重要。研究人员正在转向这些不寻常的啮齿动物，以了解关系如何对健康产生深远的影响。
利用过去几十年生物医学的进步，科学家们已经观察到神经元的活动。他们以精细的精度操纵基因活动，检查特定脑区中单个基因的功能。以草原田鼠为研究对象，研究人员正在了解关系是如何建立的，早期生活如何塑造关系，以及为什么关系破裂时我们会感到痛苦。
当然，草原田鼠不是人类。因此，这些见解提出了一个问题。一种毛茸茸的小啮齿动物，略小于网球，经常被误认为是鼹鼠、老鼠或大鼠，是如何成为爱情的刺激和失去的危险的替身的？答案告诉我们，科学的进步与我们自己的内心一样重要。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
早期线索
在过去的二百万年中，巨大的冰盖将伊利诺伊州中部的地貌磨砺成磨刀石般的平坦。如今，玉米田延伸到地平线，但曾经覆盖该州这一部分地区的草原碎片挤满了其中。大约 50 年前的一个秋天，当时在伊利诺伊大学担任青年生态学家的 Lowell Getz 检查了隐藏在草丛和三叶草中的陷阱。他注意到，他捕获的一种啮齿动物——草原田鼠，与其他啮齿动物的行为不同。特定的雄性和雌性配对不断一起出现在陷阱中。在 20 世纪 70 年代，动物学家 Devra Kleiman 估计，只有约 3% 的哺乳动物物种是一夫一妻制的。Getz 和他的学生收集的数据表明，草原田鼠就是其中之一。
Getz 并不是第一个提出草原田鼠是一夫一妻制的人，但他的工作引起了同事行为内分泌学家 Sue Carter 的注意，他们的研究团队开始共同记录田鼠的全部社会行为以及实验室和野外支持这些行为的激素。通过 20 世纪 80 年代和 90 年代进行的研究，他们发现雄性和雌性共享巢穴，共同抚养幼崽并共同捍卫领地。Carter 的实验室开发了一种简单的行为测试来评估田鼠的“伴侣偏好”，该测试包括将伴侣拴在一个小室中，将一只不熟悉的田鼠拴在另一个小室中，然后让田鼠在伴侣和陌生田鼠之间做出选择。形成关系的草原田鼠更喜欢与伴侣依偎。它们的结合可能会持续一生，在令人震惊的广泛交配后出现。
Getz 将草原田鼠结合的进化归因于其均匀平坦的草地环境中食物资源的稀疏分布，这导致田鼠在整个景观中广泛分散。在这种条件下，雄性无法像其他啮齿动物物种那样可靠地追求多只雌性，因此与一个伴侣安顿下来并捍卫共同的家园更有意义。雌性获得了一个伴侣来帮助照顾幼崽并抵御入侵者。Carter 的小组发现，长期以来被认为是分娩、哺乳和母性照顾调节剂的激素催产素对于形成关系至关重要。一种相关的激素，血管加压素，很快也成为草原田鼠结合的另一个关键调节剂。
图片来源：Mesa Schumacher
催产素、血管加压素和其他密切相关的激素在自然界中无处不在。在几乎所有被检查过的动物物种中都发现了它们。但是，如果这些激素存在于如此广泛的物种中，其中许多物种不是一夫一妻制的，那么仅凭它们的存在肯定不足以使一个物种形成配对关系。那么这些激素是如何以及为何塑造关系的呢？
答案在于激素引起大脑变化的方式。激素是小的化合物；就血管加压素和催产素而言，它们是被称为肽的小蛋白质。激素通过与被称为受体的大蛋白质结合来影响身体细胞的功能，受体的形状和电荷与一种特定的激素相互作用。当激素与受体蛋白结合时，它会导致受体形状发生变化，从而触发细胞内的变化。
由于催产素和血管加压素存在于许多物种中，但仅在某些物种中促进结合，因此似乎可能存在激素受体分布的物种差异。在 20 世纪 90 年代，美国国立卫生研究院的 Tom Insel 和他的同事发现，草原田鼠及其一夫一妻制的亲戚，松田鼠，与它们滥交的亲戚，草地田鼠和山地田鼠相比，在不同的脑区具有催产素和血管加压素受体。虽然一夫一妻制的田鼠在伏隔核和腹侧苍白球（大脑奖励回路的一部分）中具有丰富的这些激素受体，但滥交的田鼠在这些脑区中基本上缺乏受体。这些是神经科学家长期以来在药物滥用背景下研究的相同区域。头条新闻很快宣布爱情是会上瘾的。
这些发现支持了这样一种观点，即激素受体分布的差异可能解释了滥交和田鼠与一夫一妻制田鼠的不同行为。但是，要准确了解激素受体如何塑造结合，研究人员需要操纵编码受体的基因。进行此类工作的工具将来自一个意想不到的来源。
新工具，新启示
在 20 世纪 60 年代后期，甚至在生态学家开始想知道草原田鼠的社会生活之前，病毒学家就取得了一项发现，该发现最终将导致一种研究基因、大脑和行为的新型工具的开发。科学家们正在检查一组称为腺病毒的病毒的 DNA，这些病毒会引起普通感冒。他们发现他们的腺病毒样本被他们称为腺相关病毒 (AAV) 的病毒样颗粒污染了。病毒需要宿主细胞才能繁殖，而 AAV 除了细胞外，还需要腺病毒的共同感染才能繁殖。它是一种寄生虫的寄生虫。如果 AAV 感染了缺乏腺病毒的人类细胞，它只会潜伏等待，直到腺病毒出现。
AAV 可以进入并和平地生活在细胞内部，这一事实使其成为将 DNA 传递到细胞中以改变细胞工作的绝佳载体。在 20 世纪 90 年代，研究人员开始对 AAV 进行工程改造，以调整大鼠和小鼠的神经元，以弄清楚它们的作用。我们很快了解到，他们开发的工具在田鼠身上也同样有效。为了研究激素在配对关系中的作用，埃默里大学的 Larry Young 和他的同事使用 AAV 将血管加压素受体基因的额外拷贝传递到草地田鼠的腹侧苍白球中。由于这些通常是独居且滥交的田鼠的腹侧苍白球中的血管加压素受体水平得到提高，它们获得了一种新的与伴侣依偎的倾向。这项工作表明，大脑奖励回路中血管加压素受体的丰富程度至少解释了一夫一妻制和田鼠与滥交田鼠之间的一些行为差异。
AAV 还使研究人员能够实时观察关系的形成。当科学家们设计出一种新型的光激活蛋白，可以改变神经元的电活动时，神经生物学家使用 AAV 将这种蛋白放入前额叶皮层，这是一个通过与伏隔核接触来影响奖励的大脑区域。埃默里大学的 Elizabeth Amadei、Robert Liu 及其同事表明，当田鼠靠近潜在伴侣时激活这些神经元足以产生对潜在伴侣的偏好。另一个由我们其中一位作者（Donaldson）领导的小组使用 AAV 将一种在神经元活跃时发光的蛋白质引入田鼠的大脑。使用微小的头戴式显微镜，研究人员可以看到当田鼠形成关系时大脑中发生了什么。他们发现伏隔核中的奖励神经元在动物接近伴侣之前就会亮起来。值得注意的是，随着关系的加深，对伴侣做出反应的神经元数量也会增加。
十年前 CRISPR DNA 编辑技术的出现为研究人员提供了对基因及其工作的新的和前所未有的控制。CRISPR 是成簇的规律间隔的短回文重复序列的首字母缩写，其作用类似于分子手术刀，可以在 DNA 中进行切口。使用 CRISPR 定制基因组既复杂又昂贵，但该技术也颠覆了我们对催产素（所谓的爱情激素）的理解。
数十年的研究表明催产素与草原田鼠配对关系的形成有关。一些研究表明，催产素也在奖励回路中起作用，以塑造人类关系。因此，当我们其中一位作者（Manoli）与同事合作使用 CRISPR 删除草原田鼠胚胎中编码催产素受体的基因时，这似乎是一个很有希望的实验。我们预计基因改造的田鼠在与伴侣建立关系的能力方面会表现出障碍。但令人震惊的是，完全缺乏催产素受体的草原田鼠实际上与它们未经过基因改造的兄弟姐妹一样容易形成对伴侣的偏好。
这怎么可能呢？老实说，我们还不知道。一种想法是，在发育过程中，其他基因或神经通路自然会补偿催产素受体的缺乏。我们已经知道，除了催产素、血管加压素及其受体外，还有许多其他基因会影响配对关系。CRISPR 的使用表明，我们想象中为一小群人创作的音乐实际上是一部交响曲。转录这种新的、更复杂的音乐将加深我们对依恋及其潜在机制的理解。
超越催产素和血管加压素
催产素受体对于草原田鼠结合并非绝对必要的发现表明，无论编码催产素、血管加压素及其受体的基因多么重要，它们都不是故事的全部。其他 21 世纪的工具正在帮助科学家们填补我们对社会联系如何形成以及它们如何重新连接大脑的理解中的空白。
过去十年在基因测序方面的工作使得详尽地量化在任何特定脑区中活跃的基因成为可能。这种全基因组方法用于寻找与某些行为相关的基因和其他 DNA 序列，它有其自身的挑战，但它提供了一种“无偏见”的观点，因为它超越了科学家们已经认为对结合很重要的少数参与者。
其中一项研究检查了关系形成过程中跨脑区的基因活动。它发现，一夫一妻制的草原田鼠和滥交的草地田鼠之间的大多数差异在结合开始之前就已经很明显了，就好像它们的大脑已经为它们特定的社会行为做好了准备一样。在田鼠反复交配后，一部分基因被激活，这些基因对于学习和记忆尤为重要——人们可能会期望在动物从单身过渡到与特定伴侣配对时发生的那种重新连接。另一项研究发现，当关系变得稳定时，独特基因会在大脑的奖励结构中被激活。如果关系因长期分离而破裂，这些变化会逆转。
正如新的基因组测序方法为 DNA 及其功能提供了新的视角一样，生物组织的微观研究方面的并行进展也扩展了我们对大脑的看法。传统上，研究组织的微观解剖结构需要研究人员获得组织薄片进行检查。我们现在可以使组织透明化，使研究人员无需物理切片即可对整个大脑进行成像。与全基因组研究一样，这种研究大脑的方法也提供了一种无偏见的观点。通过检查已清除大脑中神经活动反应中产生的蛋白质，我们其中一位作者（Phelps）与当时在冷泉港实验室的 Pavel Osten 以及其他同事一起，绘制了第一个全脑图，显示了草原田鼠将交配转变为关系时活跃的区域。结果证实了早期的工作，表明奖励回路参与了结合，但也暗示了许多其他脑区。它们表明，在雄性和雌性中，神经活动都遵循已知在性反应中重要的通路。这条神经通路进入了近 70 个不同的脑区，引发了活动风暴，因为大脑为了建立关系而重新连接自身。正如 Sue Carter 几十年前所建议的那样，性本身似乎驱动了这种重新连接。
一旦关系形成，神经活动就会集中在一个小得多的回路中。杏仁核和下丘脑（对情绪学习和激素释放至关重要的大脑区域）之间的连接变得活跃起来。最近的研究表明，这些相同的连接塑造了实验室小鼠的非性社会联系，新的结果表明，社会依恋在物种和关系类别之间存在一些共同的机制。这些无偏见的方法共同承诺提供一份完整的基因和脑区目录，这些基因和脑区使关系能够形成和持续，或者使其随着时间的推移而瓦解。
从田鼠到人类
在 20 世纪中叶，英国心理学家 John Bowlby 和美国-加拿大心理学家 Mary Ainsworth 借鉴了动物行为学家的工作，提出儿童对爱的需求是人类生物学的基本需求。Bowlby 假设我们的依恋代表了一种专门进化的神经系统——也就是说，一种进化适应性的大脑机制，通过将我们与照顾者联系起来，帮助我们成功度过童年。尽管 Bowlby 和 Ainsworth 的依恋理论在当时被认为是激进的，但科学家们此后扩展了它，不仅用于解释人类的养育行为，还用于解释友谊、浪漫关系以及失去它们的痛苦。
草原田鼠的关系以及支持其形成和影响的机制提供了一个具体的例子，说明这种进化的神经系统可能是什么样的。我们看到，关系依赖于将与潜在伴侣相关的特定线索与渴望的感觉联系起来。奖励促使田鼠彼此靠近，彼此依偎。有些基因随时准备引导回路学习新伴侣的身份，有些基因似乎可以稳定关系，还有些基因可以监督失去关系的体验。为此，它们必须以我们尚不完全理解的方式利用大脑的记忆和情感能力。
这并不是说田鼠的配对关系体验与人类的爱情体验完全相同。神经心理学家在从草原田鼠研究中得出的框架的基础上，提出情感和奖励中心与其他脑区（例如，促进同理心和视角采择的区域）相互作用，以产生丰富的爱情意义。这种观点暗示，浪漫爱情具有与其他动物体验到的情感核心相似的情感核心，但因我们对自身和我们最重要的他人的复杂理解而得到丰富。
受草原田鼠研究启发的人类研究支持了这两个物种的比较。爱情对人类体验至关重要，以至于科学家们长期以来认为，它的生物学基础一定存在于我们的大脑皮层中，即大脑推测的思维中心。大脑的这一部分在灵长类动物进化过程中显着扩张，这表明它在我们哺乳动物家族树的成功中发挥了重要作用。然而，对草原田鼠的研究启发了神经心理学家去研究更古老的结构，即与草原田鼠结合有关的相同奖励区域。在一项研究中，科学家们要求处于恋爱关系中的人们评价他们对伴侣的爱恋程度。他们发现，当查看伴侣的照片时，这些评价可以预测流向他们奖励系统的血液量。同样，当人类受试者握住伴侣的手时，它会激活她的伏隔核——草原田鼠中具有催产素和血管加压素受体的大脑区域之一。
我们对人类情感的激素调节剂的理解似乎也与我们对草原田鼠配对关系的理解相符。人类在温柔的爱抚或性高潮时会感到催产素的涌动。但它是一种多功能的激素：当我们与大眼睛的小狗进行眼神交流时，它也会激增。
科学家们希望有一天能够充分掌握人类的结合，以便能够在结合引起痛苦时进行干预——例如，减轻慢性孤独的摧残或减轻毁灭性悲伤的边缘。旨在模仿催产素和血管加压素功能的药物迄今为止尚未达到其治疗潜力。正如我们所见，即使在草原田鼠中，结合的机制也尚未完全了解。
为了充分理解结合及其后果，我们需要丰富的科学知识来容纳生态学、进化论、神经科学和分子遗传学，它们各自对结合如何以及为何形成提供了互补的观点。这需要基础研究。使草原田鼠成为研究依恋的如此令人兴奋的动物的相同技术进步正在为其他物种开辟新的研究途径，例如毒蛙的亲代抚育和果蝠的对话。从此类研究中产生的知识本身就很有价值，我们发现的知识有一天可能会改变我们的生活。新的物种和新的工具意味着对生命和爱情的新视角。