情緒狀態在健康和疾病中都處于人類狀況的核心地位，然而，情緒如何從經驗中產生的神經過程仍然是個謎。在哺乳動物中，持久的情緒反應可能起到整合散布在整個大腦中的外部與內部信息的作用，從而引導情境適當的行為。作者假設，在哺乳動物進化過程中，感官信息整合為情緒狀態的過程中可能存在共同的結構和功能限制，這些限制可能導致了支配情緒反應建立和維持的、保守的動力學原理。

基于此，2025年5月29日，斯坦福大學Karl Deisseroth研究團隊在Science雜志發表了“Conserved brain-wide emergence of emotional response from sensory experience in humans and mice”揭示了在人類和小鼠中，從感官體驗中涌現出情感反應的、保守的大腦全范圍機制。

為了識別在哺乳動物中廣泛保守的神經活動模式，首先開發了一套覆蓋親緣關系較遠的哺乳動物物種的大腦全范圍活動篩查方法。具體來說，使用高速、侵入性且全局性的方法，在執行相同任務的人類和小鼠受試者中，探索情緒狀態是在何時、何地以及如何產生的。發現一系列吹向人類或小鼠角膜的空氣脈沖（air puffs）會引發快速/反射性的眼瞼閉合行為以及持續/情感性的眼瞼閉合行為；后者（在兩個物種中）具有負面情緒效價、持續性、泛化性，并可被氯胺酮阻斷。對這種時間精確的行為反應進行了全腦范圍的神經活動篩查，使用的是人類中的顱內立體腦電圖（iEEG）和小鼠中的多探針Neuropixels單神經元電生理記錄。在人類和小鼠中都發現，氯胺酮加快了基礎自發活動的內在時間尺度，并減少了在空氣脈沖觸發持續活動的腦網絡中的全腦群體耦合程度。該研究揭示了藥理效應在增強響應動態銳度、降低全腦維持持續信息的能力方面具有普遍性，突出了信號持續性在建立全腦響應中的重要性。

 圖一 一種跨物種的快速誘發負面情緒的測量方法 

作者首先發現吹向角膜的空氣刺激是一個理想的候選刺激，它具備臨床安全性、時間精準性和可重復性等特點。Eye puff是一種在多個物種中都會引發厭惡反應的刺激，在小鼠中能夠誘發廣泛的皮層神經響應。此外，這種刺激具有明確的時間邊界、精準的定位性，適用于固定頭部的神經記錄，并且對人類安全。哺乳動物對eye puff的行為反應：眼瞼閉合，具有快速、可量化、可重復、易于自動評分等優點，且在人類和小鼠之間表現相似；已有研究清楚地描繪了控制反射性眨眼的神經環路。假設強度和持續時間足夠的eye puff刺激會引發既有快速反射性、也有持久情感性的行為反應，并且這些特性可能對應不同的神經活動模式。作者設計了一套在人類參與者和小鼠中實施eye puff刺激的實驗方案，能夠在兩種物種中同步測量行為反應、進行全腦神經活動篩查以及藥物干預。在對照條件下，觀察到人類參與者對eye puff出現多相反應：首先是穩定而迅速的“早期”反射性眨眼，隨后是變化較大、持續更久的“晚期”部分眼瞼閉合。結果表明，人類參與者在對照條件下報告的反應符合負面情緒狀態的特征，包括效價、喚醒度、持續性和泛化性。他們自我報告感到不愉快和受到驚嚇，表現出超出刺激本身持續時間的眼瞼閉合，與持續性情緒狀態一致。更重要的是，氯胺酮顯著減弱了晚期眼瞼閉合，同時保留了早期反射眨眼。Eye puff引發的行為反應具有情緒性的特征，這些特征可被氯胺酮選擇性抑制，而反射反應不受影響。表明eye puff能夠誘發負面情緒狀態，而晚期眼瞼閉合可作為這一情緒反應的情感性行為指標。由于該方法具備良好的跨物種擴展潛力，進一步在小鼠中建立了類似的eye puff實驗范式。發現小鼠同樣表現出多相眼瞼閉合反應，而氯胺酮和苯環利定（PCP）等分離性藥物也能選擇性減弱晚期而非早期眼瞼閉合。作者測量了連續eye puff刺激期間和之后的行為變化，發現小鼠的晚期眼瞼閉合在多次刺激中逐漸積累，并在刺激結束后緩慢消退，表現出持續性和可調節性。這些特征以及人類與小鼠之間的行為相似性表明，小鼠的晚期眼瞼閉合可視為對應于負面效價內部情緒狀態的情感性反應。 Eye puff行為反應在不同實驗日之間具有高度可重復性，并適用于不同氣壓條件以及雌雄小鼠。在本實驗條件下，小鼠不會主動閉眼，因此該行為不受對刺激時間預期的影響。Eye puff行為范式能夠可靠地、反復地誘發時間精確且可量化的情感性反應，并可通過藥理手段選擇性調節，同時保留反射性反應作為重要對照。因此，這一范式有望在多個物種中實現情緒狀態與神經活動之間關系的精確映射。

 圖二 人類由eye puff引發的顱內電活動動力學表現出全腦范圍的快慢兩個成分 

為了探索可能在小鼠和人類中共享的情緒腦狀態背后的神經活動模式，作者設計并實施了高時間分辨率的全腦活動篩查實驗。通過抑制小鼠腹后內側核（VPM，負責將眼部觸覺輸入傳遞至皮層的結構發現由eye puff引發的情感性眼瞼閉合顯著減弱，而反射性反應保持相對穩定。接下來，采用了顱內立體腦電圖（iEEG），該技術具備高時間分辨率、廣泛覆蓋全腦的能力，同時滿足長時間記錄、結合主觀報告、精神評估量表以及藥物干預等研究需求。在14名接受iEEG植入的人類參與者中完成了完整評估，其中7人符合納入標準，并在連續靜脈輸注氯胺酮前后接受了eye puff刺激測試。結果顯示，與未植入iEEG的參與者一致，植入組也表現出多相eye puff反應，且氯胺酮選擇性地減少了情感性階段的反應。iEEG記錄揭示了eye puff觸發的局部場電位（LFP）信號在整個大腦中迅速傳播。在氯胺酮輸注期間，eye puff觸發的信號強度顯著下降，并在藥物作用消退后恢復。作者進一步分析了全腦頻譜變化，發現其時間進程與氯胺酮藥代動力學一致，并廣泛分布于多個腦區和靜息態功能網絡。通過對頻譜-時間響應進行降維分析，提取出六種具有代表性的響應成分，這些成分在不同個體和腦區中普遍存在，且分布在注意力、體感運動、邊緣系統、默認模式和頂額葉等多個功能網絡中。其中兩個成分在氯胺酮作用下明顯減少，并在藥物結束后恢復。綜上所述，eye puff刺激引發了一種全腦協調的神經響應模式，部分模式在氯胺酮作用下被可逆性干擾，提示氯胺酮對情感反應的影響可能是廣泛分布于多個腦區的神經動力學改變所致。

  圖三 全腦范圍小鼠eye puff觸發的神經元放電動力學具有可分離的快慢兩個成分  

在小鼠中發現，連續給予八次eye puff會使其進入一種可量化的持續負面情緒狀態，因此進一步在小鼠中系統研究了對單次eye puff、eye puff序列以及情緒反應消退期間的全腦單神經元放電活動。作者在有或無氯胺酮注射的條件下測量了eye puff引發的小鼠神經活動。結果顯示，eye puff會引發情感性眼瞼閉合，而氯胺酮能顯著減弱這一反應。記錄了數千個分布在數十個腦區的單神經元活動，觀察到氯胺酮會引起全腦放電模式的變化，并增強低頻腦節律，尤其是在后扣帶回/壓后皮層等區域。進一步分析顯示，不同神經元群在eye puff后表現出不同的響應特征：有些迅速且短暫響應，有些則在快速或延遲啟動后持續放電。這些神經元群廣泛分布于多個腦區，其中中腦和丘腦區域的神經元響應快而尖銳，前額葉和邊緣系統的神經元則響應較慢且持久，提示神經活動可能沿著解剖通路逐級展開。氯胺酮顯著改變了部分神經元集群的動力學特征，尤其是那些原本響應較慢、持續時間較長的集群；而快速響應的集群則基本未受影響。在腦區層面，氯胺酮并未改變平均神經活動的上升時間，但明顯縮短了峰值后的消退時間。綜上所述，eye puff刺激引發的信息迅速在整個大腦傳播，表現為多相響應模式，其中皮下結構以瞬時反應為主，前額葉和特定丘腦區域則表現出更持久的神經活動，而這些持久反應被氯胺酮所削弱。

 圖四 全文摘要圖 

總結

作者發現，哺乳動物的情緒狀態以一種在不同物種中保守的模式存在，這種模式從感官體驗出發，通過持續性的神經活動動力學整合形成。此外，作者的研究還表明，臨床上相關干預手段可以調節內在時間尺度，這提示某些神經精神疾病的病因和治療可能與大腦狀態穩定性異常有關，具體表現為內在時間尺度過快或過慢的病理性改變。

文章來源：https://doi.org/10.1126/science.adt3971

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