你是否也曾十分焦虑，以至于心跳加速？这种心跳过速是焦虑的主要症状之一，这一症状可能非常强烈，以至于有的人会误认为是心脏病发作。在过去这些年里，大量的实验研究揭示了许多从大脑向心脏传递信号的途径，然而在临床精神病学和基础神经科学领域，研究人员一直还关注一个相反的情况：心率对大脑情绪的影响又是怎样的？这个问题实际上早在19世纪80年代就被心理学家威廉·詹姆斯所提出，但在这之后几乎一个世纪以来都是一个争论不休的问题（类似于先有鸡还是先有蛋）。
情绪和身体感觉之间的联系每个人都非常熟悉：比如，当听到可怕的声音时，你的手臂背部会竖起汗毛，又或者当你收到坏消息时，你内心会有一种不安的感觉。但是，是情绪驱动身体机能亦或是身体反应促使情绪发生的问题一直困扰着研究人员，因为一般很难把这两个因素都独立控制起来。
来自斯坦福大学生物工程系的KarlDeisseroth教授课题组通过可穿戴的微型LED线束和强大的泵状通道视紫红质的系统性病毒输送，开发了一种无创性光遗传学起搏器，用于精确、细胞类型特异性控制自由运动小鼠的心律情况（可高达900 次每分钟），从而成功阐述了上述问题，确定了大脑检测心律的机制，并展示了心律如何反过来控制情绪行为。该研究内容以“Cardiogeniccontrolofaffectivebehaviouralstate”为题于2023年03月01日表于国际顶级期刊《Nature》，被《Nature》期刊进行亮点报道，并作为《Nature》官网当期的封面新闻。
到目前为止，科学研究上用来增加或降低研究对象的心率，并评估其对情绪的影响的手段主要都是非特异性电击、迷走神经刺激和药理学方法，然而所有这些都涉及严重的副作用，研究人员仍然缺乏具有优秀的时间和空间分辨率的研究工具来充分研究心脏心律对大脑焦虑的影响。也正是因此，这项研究的一大突破就是开发了这样一种研究工具：无创光学起搏器。该工具是基于一种携带编码光敏蛋白视蛋白ChRmine基因的病毒载体对小鼠的全身递送，当用红光照射时，带正电荷的离子流过该蛋白，使表达该蛋白的细胞可以发生去极化。在该研究的实验中，目标研究细胞是心肌细胞，因此去极化会引发肌肉收缩。
使用无创光学起搏器控制小鼠模型焦虑的示意图
研究者们基于光遗传学开发的这种利用光来控制细胞活动的方法，可以实现对小鼠焦虑的直接直接测试，他们还为这些小鼠模型设计了一种微型背心，这种背心上装备了红色微发光二极管（micro-LED），可以以规定的频率闪烁，发射出能穿过啮齿类动物的身体直达它们心脏的红光，当老鼠的背心发出光脉冲时，其经过工程化的心脏肌肉就会收到刺激，导致心跳增加。研究还训练了这些动物，让它们逐步认识到在按下杠杆获得水奖励时会受到电击。利用光遗传学系统，研究小组将动物的心率从正常的每分钟660次提高到900次。当它们的心脏跳动被人为干预增加时，老鼠会变得不太愿意按下杠杆或探索开放的区域，也就表明它们更加焦虑。但对于其他环境中的动物，人为干预增加的心率则没有产生显著影响，这一结果表明大脑和心脏协同工作从而产生了焦虑。
无创光学起搏器的研发
当研究人员测量小鼠的大脑活动时，他们发现，如果动物表现出焦虑，当人为干预心率增加时，后岛叶皮层（后岛叶）和脑干（与情绪和身体信号处理相关的区域）会变得异常活跃，研究人员认为你，这一结果表明脑岛负责整合来自心脏的信号和来自环境的威胁，然后将信息传递给涉及更高认知的区域。这项研究在方法论上是一项重大进步，以科学的研究证实了通过改变心律可以对话大脑告诉它应该担心。但这些脑岛区域是否参与心动过速引起的焦虑仍不确定，为了研究这一点，研究人员使用了一种不同的视蛋白（蓝光敏感蛋白iC++）对后岛神经元进行了光遗传学抑制。通过这种研究方式，研究成功产出了第二个发现：在光学起搏期间抑制后岛可以减少心动过速引起的焦虑行为，这种效果只在后脑岛中发现，对其他不同区域（内侧前额叶皮层）的光遗传学抑制中没有观察到类似现象，这表明后脑岛可以传递有关心率的信息来影响焦虑。
总结一下，这项研究首次发现，心率的增加促进了小鼠的焦虑相关行为，这是通过激活包括后岛在内的特定大脑结构所介导的。这一研究开创了新的方法，提出了新的问题，并开辟了研究领域。例如，允许后脑岛被心律加速激活的神经回路和机制，以及诱发焦虑行为的回路，仍然有待进一步深入研究。此外，光学诱发心跳加速的几天（或几周）的长期影响也是一个具有重大临床意义的问题，这项研究为测试所干预的心率慢性增加是否会导致大脑的长期变化，以及这种变化是否会影响未来焦虑的严重程度，也是一大未知但重要的问题。
文章来源：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05748-8
