在凯·泰伊的记忆中，她一直想知道自己为什么会有这样的感觉。然而，泰伊一直想了解大脑中发生了什么，而不仅仅是涉猎心理学理论。在2000年代初的大学里，她找不到一门课程能够详细解释流经大脑数万亿连接的电脉冲如何产生感觉。“没有我想上的神经科学课程，”泰伊说，她现在是加利福尼亚州拉霍亚市索尔克生物研究所的一个实验室的负责人。“它根本不存在。”
她回忆说，当她用博士论文的一个章节来论述情感时，她受到了批评。她被告知，情感研究在行为神经科学中没有地位。泰伊当时不同意，现在仍然不同意。“我们认为情感是在哪里实现的——在除大脑以外的其他地方吗？”
从那时起，泰伊的研究团队朝着破译诸如孤独和竞争等难以言喻的体验的生物学基础迈进了一步。在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，她和她的同事们发现了一些基本的东西：大脑中的一个分子“开关”，可以将体验标记为正面或负面。泰伊不再是追求这些问题的局外人。其他研究人员也在沿着同样的思路思考。“如果你对任何重要的事情都有大脑反应，那么它如何区分好坏呢？”纽约市西奈山伊坎医学院的神经科学家丹妮拉·席勒说，她没有参与这项《自然》论文。“这是该领域的一个核心问题。”
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这个开关是在泰伊的小鼠研究中发现的。如果它在人类身上也以类似的方式工作，那么当听到冰淇淋车的声音而不是熊的咆哮声时，它可能有助于人们激活大脑中的不同通路。这种切换机制对于生存至关重要，因为动物需要在对比鲜明的场景中采取不同的行动。“这是我们将感官信息转化为动机意义的中心枢纽，”泰伊说。“在进化过程中，它将决定你是否能生存下来。在我们的现代社会中，它将决定你的心理健康和生活质量。”
如果开关被调整为负面体验占主导地位，可能会导致焦虑或抑郁。相比之下，对奖励的过度渴望可能会引发成瘾的幽灵。德克萨斯农工大学的神经科学家斯蒂芬·马伦说，这项工作“可能会以我们以前从未想过的方式来解释病理学”，他没有参与这项研究。“我们过去更多地认为它是一种或另一种系统的紊乱。”但他说，也许一些精神疾病是由于大脑赋予体验的正面和负面价值失衡造成的。
作为一名研究生，泰伊通过杏仁核（大脑深处的情感处理中心）来研究情感，这在逻辑上是合理的。2007年，她在一次会议上发表演讲，强调了杏仁核在奖励反应学习中的重要性，以及它在恐惧反应中的已知作用。她假设杏仁核内不同的神经元集合是良好和不良体验记忆的基础。
在2015年发表的一篇论文中，当时在麻省理工学院的泰伊和她的同事们在杏仁核的一个叫做基底外侧杏仁核的部分发现了这些神经元。一组神经元是小鼠学习到音调预示着一口糖水所必需的，另一组神经元是它们将噪音与轻微电击联系起来所必需的。为了定位细胞，研究人员使用了泰伊在几年前开发的一种技术。这是光遗传学的一种变体，即用光敏蛋白基因对神经元进行基因工程改造。通常，这使得它们可以用光激活。泰伊设计了一种使用光遗传学来追踪特定神经纤维集合的连接的方法。
在确定了奖励和恐惧通路后，泰伊想知道是什么决定了信号将要走的路径：究竟什么是正面或负面的“开关”？她的团队提出了一个线索。当研究人员对每组神经元中开启或表达的基因进行编目时，一个差异突显出来：负面通路中的神经元显示出更多的神经降压素受体基因的表达，神经降压素是一种信号分子，它可以调节大脑主要的兴奋性神经递质谷氨酸，谷氨酸会导致神经元向其他神经元发出信号。
根据这条线索，泰伊和她的同事们——特别是索尔克研究所的博士后研究员郝力——绘制了所有向基底外侧杏仁核释放神经降压素的神经元。他们发现了三组与大脑中三个不同位置相连的神经元。为了弄清楚哪些纤维是相关的，研究人员做了一件不寻常的事情：他们使用了著名的基因编辑技术CRISPR来禁用每组神经元中的神经降压素基因。马伦说，这是首次使用基因编辑技术从特定神经元群体中选择性地删除这种类型的神经递质。
结果是：只有在其中一个神经元群体中，这种技巧才破坏了小鼠将音调与糖或电击联系起来的学习能力。这组神经元来自丘脑，一个附近的感官中继站。删除丘脑中这些神经元中的神经降压素使小鼠更慢地学习蔗糖奖励，更快地编码电击，这可以通过诸如跑到输送糖水的喷嘴和预测电击时僵住等行为来证明。人为地激活这些神经元导致了相反的结果：食物反应增强，恐惧反应减弱。
研究结果表明，大脑的默认状态是负面的，需要神经降压素的输入才能将其切换到更积极的状态。“我们需要一些东西来让我们的大脑进入一种状态，说，‘哦，这是一个有益的环境。我应该启用我的系统来学习奖励，’”泰伊说。“如果我没有打开它，我就会假设[情况]很糟糕。”
神经降压素的参与也解开了一个时间之谜。动物可以学会将刺激物（枪声和受伤的士兵，或祖父母的拜访和礼物）联系起来，这些刺激物之间间隔数十秒、数分钟甚至更长时间。但典型的神经元反应，例如涉及谷氨酸的反应，发生在毫秒级。泰伊说，神经降压素可以放大谷氨酸信号，并使其持续更长时间。
专家说，这项工作最终可能为某些精神健康问题带来疗法。一种降低神经降压素活性的药物可能会通过使大脑更倾向于恐惧状态来缓解成瘾和相关的寻求奖励行为。相比之下，增强神经降压素的作用可能会使焦虑或抑郁症患者以更积极的眼光看待世界。“对于各种各样的精神健康障碍来说，这个靶点非常有吸引力，”泰伊说。
然而，剑桥大学的认知心理学家迈克尔·安德森说，目前尚不清楚这一具体发现是否会对临床有所帮助，他没有参与这项研究。他补充说，尽管如此，其影响可能是重大的。“我们对情感和条件反射的神经回路了解得越多，我们就越有可能在此基础上发展出长期的干预措施，”安德森说。
从短期来看，这项工作以重要的方式扩展了情感的硬科学，部分原因是泰伊发明了新的工具来解开大脑的机制。“这项工作是一项技术上的杰作，”马伦说。“它真正在如何操纵神经回路方面将该领域推向了新的方向。”