大腦相當脆弱,卻又堅韌,讓人類得以打造文明,背後到底藏有哪些進化密碼?
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大腦,我們身上最精微難解的器官,一方面極其脆弱,必須以堅硬的顱骨包覆;一方面卻又極其堅韌,讓人類得以製作器物、連結社群、打造文明。如今,腦神經科學領域已逐漸揭開大腦的神秘面紗,探討神經元、膠細胞、電訊號、荷爾蒙如何在須臾分秒間協調運作,引領人類橫渡百萬年尺度的演化長河。

然而,就在不遠的1990年代前,科學家曾悲觀宣判,這項造物即便蘊藏此般匠藝,卻因為缺乏幹細胞,其組織無法在生物胚胎成熟後繼續再生。

「這意謂打從我們呱呱墜地後,腦袋裡的神經細胞只會日趨成熟、終至衰老,最後步向死亡一途。」成功大學生理學研究所特聘教授游一龍回憶道,「腦神經細胞只會變老與變少,不會增生和變多──這是我大學時期,神經科學界的共識。」

約莫在1989年,這項共識由於生理學細胞染色技術的進步而煙消雲散。人類終於發現,神經系統裡其實一直存在幹細胞,一片全新而陌生的研究領域由此展開。

你的大腦每天都在變老與新生

1989年因生理學細胞染色技術的進步,讓腦神經研究瞬間爆紅,並發現腦神經伴隨時光推移的仍不斷成長。
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「想像看看,腦中的幹細胞就在那兒蟄伏等待,等到周遭微環境符合條件,便開始進行有絲分裂,增生分化成特定的新細胞,嵌入現存的神經系統發揮功能。」游一龍以他一貫生動、詩意卻又精準的口吻說明道。

從鳥類、獼猴到人類的腦中陸陸續續發現到神經新生現象(Neurogenesis),暗示腦神經在時光推移的過程中仍然不斷成長,也代表著延緩認知退化的可能性,這當然是令人振奮的消息,也在學界引起一陣研究風潮。

游一龍坦誠,十年前他武斷決定投入神經新生現象的研究時,其實對此議題仍一知半解,後來證明是正確的研究方向。在全球人口逐漸高齡化,臺灣更行將邁入超高齡化社會的今天,腦神經新生儼然成為重要的研究議題。

游一龍分析指出,每個人的神經新生都免不了隨年紀而下降,但患有阿茲海默症、帕金森氏症等疾病的病人,下降的趨勢特別明顯。
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許多臨床醫學報告紛紛指出,神經新生與老年認知退化性疾病,如阿茲海默症、帕金森氏症等等,都有密切關聯。游一龍提到,每個人的神經新生都免不了隨年紀而下降,但患有這些疾病的病人,下降的趨勢特別明顯,呈現陡峭的曲線。

問題在於,在生物體身處的環境周遭,有什麼因素會抑制神經新生?又有什麼辦法,能阻止這些因素發揮作用?透過動物實驗,游一龍嘗試從生理機制的層次給出答案。

壓力,真的會「傷腦筋」

首先,游一龍指出「壓力」會抑制小鼠腦中齒狀迴(dentate gyrus)的神經新生現象。若對應於人腦,齒狀迴屬於執掌記憶與學習功能的海馬迴區域,也是正常情況下神經新生現象較蓬勃的區域。

實驗證實壓力會抑制腦神經生長,引發大腦不適。
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在動物實驗中,引發壓力的方式族繁不及備載,但就如你我生活中不時面臨的壓力事件,往往「不可預期」且帶來「威脅感」,這些便是製造壓力情境的關鍵要素。具體的實驗方法,是採用飢餓、電擊,或利用小鼠怕水、具領域性等生物特性,對其施予身體壓力或心理社會壓力,接著進行細胞染色與腦切片。結果發現,兩種壓力都會造成小鼠齒狀迴的神經新生急速下降,其中又以物理壓力最為有效。

游一龍透過小鼠腦切片影像的腦神經細胞染色情況,來瞭解大腦變化。
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翻開腦切片影像,游一龍說明,不論是物理性的身體壓力,或透過實驗操作引發的心理社會壓力,都會造成齒狀迴攝取的核苷酸顯著減少。核苷酸是製造新細胞必備的原料,因此攝取核苷酸是細胞正在進行有絲分裂的證據。腦切片影像中黯淡無光的齒狀迴,表示此處細胞有絲分裂的速度趨緩。

「同甘苦,共患難」:陪伴的力量

遇到挑戰、壓力,同伴、家人的陪伴真具有舒壓效果?!
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在神經生理學領域,壓力抑制腦神經新生的現象,其實並不算是新發現。過去已有研究提出證據,認為壓力情境會促進皮質酮(corticosterone)分泌,進而影響腦神經中幹細胞周遭的微環境,干擾細胞增生與分化。更重要的是,有什麼辦法可以抵抗壓力的負面效果,保護與維持神經新生?

游一龍發現,「同伴陪伴」對腦神經新生具有保護作用:當實驗小鼠在承受壓力時並非形單影隻,而是有其他同類在身邊作伴,壓力對神經新生的抑制效果竟然消失得無影無蹤。即使同類什麼也沒做,只是讓小鼠嗅到牠們的氣味,也能產生類似效果。至於背後的生理機制,游一龍認為和催產素的作用有關,目前正持續深入探究。

游一龍實驗發現,當小鼠在承受壓力時有其他同類作伴,而非形單影隻,壓力對腦神經新生的抑制效果,竟為之消失,顯示「社會支持」的重要性。
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「藉由調控一個情境因素,居然不只是緩衝,而是能夠完全抵銷壓力的負面影響,」他驚嘆地說,「從生理學研究角度來看,這樣的結果相當難得,在我的研究生涯裡更可說是前所未有。」

只是讓同伴陪伴在側,竟能產生如此奇效,游一龍認為這不僅顯示了「社會支持」的力量,更是所謂「生物的社會性」體現於腦神經運作的生理印痕。這要從演化的角度進一步說明。

社會支持與生存壓力:演化歷程的一體兩面

游一龍分析指出,綜觀生物演化史,社會性的形成,其實正源自於「生存壓力」。人類之所以成為社會性的動物,或者,動物之所以演化出「社會性」,都是為了應付生存壓力。
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眾所皆知的老生常談:「人類是社會性的動物。」裡頭其實蘊含著一道橫跨哲學、心理學、生理學領域的基本命題:何謂生物的「社會性」?對游一龍來說,這道命題的解答,既牽涉到百萬年尺度的演化長河,又能在須臾分秒間的腦神經活動中找到蛛絲馬跡。

「如果一群動物只是單純的群居,並不構成社會。」游一龍分析,「綜觀生物演化史,社會性的形成,其實源自『生存壓力』。」

在漫長的演化歷程中,一個物種可能面臨各式各樣的生存難關,唯有順利適應者方能生存繁衍。從個體的角度來看,所謂生存難關,也就是那些生命中不期而遇的艱難險阻,舉凡生存環境改變、飢寒交迫、天敵來襲,都構成挑戰個體存活機率的生存壓力。

「這些壓力足以挑戰、破壞生物體的身心恆定,」游一龍解釋,「而善用社會支持,不僅能幫助生物體度過這些生存難關,更能緩衝、甚至免除壓力對身心恆定造成的破壞。」

換句話說,人類之所以成為社會性的動物,或者,任何動物之所以演化出「社會性」,都是為了應付生活與生存的壓力。社會性與生存壓力,兩者實為一體兩面,在演化歷程當中相伴相隨、動態平衡,最終讓社會性融入生物集體習性當中。

游一龍解釋,當生存壓力破壞生物體身心恆定時,透過社會支持,我們又能回到另一種平衡狀態。在漫長的演化歷程中,生存壓力與社會支持相伴相隨,這便是生物之所以變得「社會性」的由來。
企劃腳本/林義宏  美術設計/林柏希

「壓力的對立面,並不是沒有壓力。」游一龍總結道,「生存壓力的對立面,就是社會支持!」

生物為什麼需要「社會」?對於生物個體而言,知道自己並非孑然一身,而是有他人在場,究竟有什麼差別?運用實驗動物(小鼠)做為腦神經生理學的研究模型,游一龍勾勒出「生物之所以社會」背後的生理機制與演化根源,為生物的社會性提出簡潔而全面的新解。這些概念化的理論推導並非空口無憑,而是以長達十年紮實的生理學研究為實證基礎。

大腦與壓力:繁複的交互作用

根據西方傳統生理學觀點,壓力對生物體的影響必定是「負面」的。但對於同時身為心理學者的游一龍而言,若非受到物種演化、個體生命歷程中種種的壓力挑戰,大腦怎麼會變成如今細緻而複雜的樣子?

游一龍從多年研究經驗發現,在嚴謹控制的實驗環境中,理論上每一隻小鼠承受的壓力完全相同,生理反應卻隱約浮現群體差異:其中一群對壓力較為敏感,另一群相對能抵禦壓力的侵害。就好像經過大型天災侵襲過後,並非人人皆陷入創傷症狀的黑洞,總會有些人具備爬出谷底重生的「心理韌性」。這樣的相似性讓他靈光一閃,轉而探究另一個心理因素:控制感。

小鼠壓力實驗中顯示,會衍生出兩大群,分別是對壓力較為敏感的一群,以及能抵禦壓力侵害的一群。
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心理控制感:從「抵禦」壓力到「駕馭」壓力

過去的實驗裡,小鼠只是單方面承受壓力、陪伴等預先設定好的環境刺激,然而現實中,生物與身處的環境之間是雙向的關係,我們一方面承受外來的壓力或酬賞;一方面總想做些什麼,對環境施以控制、改變。游一龍好奇,對身處的環境懷有控制感,會如何干預壓力對神經新生的影響?

新實驗的設計相當巧妙:游一龍讓兩隻小鼠一起處於相同的壓力情境中,時不時遭遇電擊,但是其中一隻可以透過特定行為(如跳躍)停止電擊,另一隻不管做什麼都無法造成實際改變。如此一來,兩隻小鼠接受的物理壓力,在次數、時間、強度上都一模一樣,但只有前者對環境抱有控制感。

結果發現,有控制感的小鼠確實在多項生理指標上皆表現較佳(如血腦障壁的脆弱性與完整性、免疫細胞激素量等),可見控制感足以緩衝壓力的生理衝擊。而一看腦神經新生現象,神奇的事情發生了──在壓力環境中懷有控制感的小鼠,齒狀迴神經新生的數量甚至超過沒有經歷過壓力的小鼠。證據也顯示,六週後這些新生的神經元已經成熟,長出樹突與軸突,嵌入腦神經系統開始運作。

孟子(西元前372年-289年)曾說:「天將降大任於斯人也,必先苦其心志,勞其筋骨,餓其體膚,空乏其身,行拂亂其所為,所以動心忍性,曾益其所不能。」這些看法於小鼠實驗中獲得證實。
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擁有控制感,居然能讓壓力的效果被扭轉,化為大腦成長的契機。游一龍興奮地說,這正呼應中國古人智慧,如孟子(西元前372年-289年)所言:「天將降大任於斯人也,必先苦其心志,勞其筋骨,餓其體膚,空乏其身,行拂亂其所為,所以動心忍性,曾益其所不能。」挫折與困難不見得都是壞事,端看我們如何因應與自處!

所謂「曾益其所不能」一語道出大腦神經新生與經驗學習的關聯。游一龍比喻:「就像演出一齣舞台劇,舊有的神經元已經把舞台搭好,但我們每天都在遭遇新的事物、新的經驗,正是大腦新生的神經元在此扮演角色,讓我們得以學習和儲存這些新的邂逅。而未來的邂逅和遭遇,就交給未來新生的神經。」

面對壓力的大腦,可以透過社會支持來緩衝、免除其抑制神經新生的影響;若能擁有控制感,壓力情境甚至可能被扭轉為神經細胞得以更加蓬勃增生的契機。
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社會支持可以免除壓力對大腦神經新生的破壞;心理控制感甚至能讓壓力反過來增加神經新生。這當然不表示壓力無關緊要、或者歌頌壓力,而是在解釋「腦」如何在壓力四伏的演化長河與個體生命歷程中前行。

採訪撰稿/林義宏
編輯/林俊孝
攝影/黃國彰

後記:動物研究之必要

採取動物實驗取徑的研究者,尤其在特別關注「人」的心理學領域,勢必都會面臨類推的難題:齧齒類動物的腦神經研究成果,可以類推到人類身上嗎?

游一龍解釋,小鼠的腦神經生理反應,是窺探人類大腦運作的「模型」,研究結果固然不能直接類比。然而,基礎研究的價值與意義不能只從類推的角度判斷,而必須擺到更大的學科藍圖上看待。「就像醫學界『轉譯醫學』的觀念,思考如何將基礎研究所得到的知識逐步推進,應用於人體實驗、臨床病患上,非常值得心理學借鑑。」

動物研究的優勢在於可透過明確的操作型定義、嚴格控制的實驗環境、以及侵入式的測量,取得神經生理機制的精確知識。「這些不能直接在人類身上實行的研究方式,卻是理解人類大腦的必經之路。」游一龍貫串神經生理學與演化論述的研究成果,已經證明這點。

研究來源
游一龍(2010)同伴陪伴調節壓力效果的演化意義及生理機制。科技部(前國科會)專題研究計畫。
游一龍(2014)社會支持緩衝心理社會壓力的效果及其機制之研究。科技部(前國科會)專題研究計畫。