2022年03月20日 14:00
【科學快訊】
說到等級，我們首先會想到人類的社會形態。但實際上，社會等級並不是人類的專利，很多社會性動物都會自發形成社會等級。等級的存在避免了種群內過度的攻擊行為和能量消耗；在個體層面，社會等級指導了不同個體的行為，讓它們在動物社會中各司其職。
但問題是，動物是如何判斷其他個體與自己的等級高低的？
之前的研究已經找到了參與這一過程的關鍵腦區。例如，2011年，胡海嵐教授團隊就在一篇《科學》論文中提出，小鼠內側前額葉皮質（mPFC）的突觸強度與社會等級密切相關。mPFC負責表征哺乳動物的社會等級，但這個結構具體如何表征這一信息、哪些神經元參與支配性行為的改變，仍然是未知數。
現在，一項發表於《自然》的最新研究揭示了哺乳動物的大腦如何編碼社會等級，並利用等級信息來塑造自己的行為。索爾克生物學研究所的Kay Tye教授和上海交通大學盧策吾教授是論文共同通訊作者。這項研究發現，面對不同等級的個體時，小鼠的大腦活動模式存在差異。根據mPFC的活動，可以預測不同個體的等級高低，以及在面對競爭時誰能獲勝。
研究團隊首先讓4只小鼠形成一組，讓它們共同生活中一只籠子中。這時，這4只小鼠自然形成了社會等級：一些小鼠等級更高、行為更具支配性；另一些等級較低的小鼠表現出的行為較為順從。隨後，研究團隊從共處一室的小鼠中抓取兩只等級不同的，讓它們通過競爭來獲取食物獎賞。
為了捕捉在這一系列過程中的腦部活動，這支跨學科的研究團隊采用了多項技術手段。他們使用的頭戴式無線裝置，可以以細胞分辨率記錄自由移動的小鼠的腦部活動。為了同時記錄多只小鼠的行動軌跡，研究團隊基於深度學習，開發了一款名為AlphaTracker的計算機視覺追蹤工具——即使是兩只外表相近的小鼠，這款工具也能隨時記錄各自的運動、找到細微且難以肉眼測定的行為差異。最後，研究團隊利用一個新的模型來分析，mPFC的活動能否預測特定的行為。
結果顯示，小鼠一旦結成對，其mPFC中的神經元會表現出動態變化，而模型可以利用這樣的變化來預測另一只小鼠的等級高低，預測的准確性達到90%。
研究團隊原本猜測，只有在競爭開始時，用於推測社會等級的神經信號才會產生。但這項研究的結果說明，表征社會等級的信號始終存在於它們的大腦中。
那麼，mPFC神經元的活動模式與它們的行為有著怎樣的關系？在研究這一問題時，研究團隊有了一項意外發現。他們發現，mPFC的活動模式與細微的行為改變相關，例如小鼠運動的快慢。基於這些行為模式，模型在競爭開始前30秒就能准確預測，哪只小鼠可以贏得食物獎賞。
看到這裏，你可能會想：既然已經得知了兩只小鼠的社會等級，那麼自然是等級更高的小鼠能獲勝。實際上，多數情況下的確如此，但低等級的小鼠有時也能贏得獎賞——而模型同樣能預測出這樣的結果。
研究團隊表示，導致這一反常結果的關鍵在於求勝心態。如果低等級小鼠的競爭性心態更強，它們有時也能「虎口拔牙」贏得獎賞。
揭示了這些行為特征後，研究團隊再次關注回小鼠的大腦。研究發現，從內側前額葉皮質到外側下丘腦（mPFC-LH）的神經通路負責調控這些與獎賞相關的社會競爭性行為。至此，這項研究首次捕捉到將社會等級與行為聯系起來的腦部活動狀態。
根據這些狀態，在任意時間點，我們能根據大腦活動來預測實驗動物的下一步行動。研究者還指出，相比於單獨獲取獎賞，面臨競爭的小鼠腦部活動會出現變化。不過，即使是獨處的動物，從腦部活動中也能解碼出社會等級。
「這項研究進一步證明，我們在競爭與單獨相處時，大腦的狀態不盡相同，」 Tye教授說，「無論是和誰在一起，當你意識到周圍有其他人時，你的大腦就會使用不同的神經元。」
接下來，研究團隊將檢驗這些動物對社會等級的表征最初是如何在大腦中出現的，以及其他類型的行為是否會受到影響。
封面圖來源：123RF
參考資料：
<1> Padilla-Coreano， N。， Batra， K。， Patarino， M。
et al。
Cortical ensembles orchestrate social competition through hypothalamic outputs。
Nature （2022）。
https：//doi.org/10.1038/s41586-022-04507-5
<2> How the brain encodes social rank and 「winning mindset」。
Retrieved Mar 16th， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/946289
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