大脑的“总机”是一个未被充分重视的奇迹

在你最近一顿饭之前，你可能会感到有些饥饿，这表明该吃饭了。也许你突然想吃意大利菜或其他菜系。这些暗示并非凭空而来——它们是由大脑中一个杏仁大小的区域——下丘脑——产生的。尽管这个大脑区域很小，但它在维持我们生命方面发挥着巨大的作用。

下丘脑又被称为“总机”，它在后台工作，确保我们的身体处于最佳状态。而且，就像许多背景演员被保持在画面边缘一样，它的作用在科学界被视为理所当然。“下丘脑是一个非常被低估的区域，”纽约大学格罗斯曼医学院神经科学和生理学系教授林大宇说。她看到人们对大脑这一区域的研究兴趣正在减弱，有些人甚至认为，与涉及更高级和更复杂认知的区域相比，它不那么有趣。

但正如《科学》杂志今日发表的四篇综述文章所表明的那样，关于下丘脑，我们还有更多东西尚未发现。先进的技术开辟了研究小脑区域、重新定义其旧功能并识别以前未知功能的新方法。

身体的调节器

下丘脑控制着各种生命过程。它与脑垂体一起负责所有激素的产生。它还参与控制体温、血压、心率、食欲和我们生理学的其他部分。

乔治城大学医学中心佩莱格里诺中心神经病学教授詹姆斯·乔达诺表示：“下丘脑被视为中枢神经系统控制身体激素活动以及一系列认知、情绪和行为状态的重要组成部分”，但他并未参与当前的研究。

第一篇新论文显示，复杂的结构和回路使下丘脑对多种身体过程具有广泛的影响。下丘脑分为一簇细胞体，称为细胞核，其中有交叉的通路，帮助它沟通和协调自身内部以及大脑其他外部区域的活动。“下丘脑功能对大脑的整合活动至关重要，因此可以看作是定义身体与大脑以及大脑与身体活动的完整性的重要因素，”Giordano 补充道。

[相关：新人类大脑图谱是我们迄今为止见过的最详细的图谱]

到目前为止，由于缺乏科学资源，研究人员无法了解这些细胞的功能。林是另一篇关于大脑区域在社会行为中的作用的论文的合著者，他说，如果不破坏细胞之间的交流，就很难研究这个区域发生了什么。过去的研究依赖于下丘脑特定区域有病变的动物，但这并不能全面了解被切除的细胞如何与该区域的其他部分相互作用。

2009 年发明的单细胞 RNA 测序是一种实验室技术，科学家可以利用它分析单个细胞的遗传信息，这有助于更好地剖析赋予下丘脑簇不同功能的回路。在最近的研究中，研究人员根据此绘制了下丘脑中的细胞亚型。下一个挑战将是弄清楚某些细胞类型为何会聚集在一起，以及这些簇如何控制不同的行为。

这并不是这些科学家使用的唯一新工具。另一种新的研究技术是光遗传学，它使神经科学家能够利用光来监测脑细胞活动。第三种技术是逆向追踪，它使用病毒来追踪从突触到细胞体的神经连接，这有助于识别从未见过的回路。未来，这些技术可能会揭示下丘脑在调节包括疼痛反应和焦虑在内的行为方面的其他作用。同时，研究作者推测下丘脑直接与肠道微生物群相连，这意味着这个大脑区域将负责肠道细菌的影响以及血清素和其他参与食物调节的激素。

睡眠、社交和目标

另外三篇论文则关注了这种大脑控制器的一些主要功能。例如，睡眠由特定神经元控制，这些神经元充当从休息到清醒的过渡“开关”。但这并不是它们唯一的用途。睡眠-觉醒细胞同样参与下丘脑的其他活动，例如控制能量代谢和核心体温。

“我们的论文强调了这样一个事实：下丘脑中的大多数神经回路都具有不止一种功能，而且它们都是相互关联的，”斯坦福大学精神病学和行为科学教授、新评论文章的作者路易斯·德莱西亚 (Luis de Lecea) 表示。“睡眠与几乎所有大脑功能都息息相关，睡眠不足会影响我们健康的许多方面，包括衰老和神经退化。”

另一篇评论文章关注了下丘脑如何促进我们对食物和水等生存必需品的渴望。为了引导我们实现这些目标，下丘脑会组织其神经回路与腹侧被盖区（大脑中与奖励过程有关的部分）协同工作。光遗传学刺激揭示了下丘脑向腹侧被盖区发送信息以增强或抑制渴望，并可以解释寻食行为。

[相关：迷幻药和麻醉药会引起大脑中意想不到的化学反应]

它还影响我们在一系列社会行为中与他人的互动方式。这些行为可能涉及友好和父母之间的互动，也可能涉及攻击性或性行为。“这些行为对于动物在群落中生存和繁殖至关重要。下丘脑对于调节这些日常互动至关重要，”本文合著者林说。

在该研究中，林提出了下丘脑和脑干脊髓之间的双重控制系统。当一个人发现他们想与之互动的人时，下丘脑就会与多巴胺系统（多巴胺对运动和奖励很重要）互动，以保持社交兴趣并强化其他社会可接受的行为。然后脑干脊髓回路会获取这些信息，并用它来指导有利于社交的反应和行动。

从实验动物到人类健康

研究下丘脑内部和外部机制的大部分工作都是在动物身上进行的。林说，转基因小鼠（用于研究生物过程和人类疾病的基因操纵动物）使科学家更容易检查下丘脑的特定部分，而无需对任何动物进行麻醉。这对于研究群体行为特别有帮助，因为动物需要自由活动才能激活其社会大脑回路。

虽然这些研究源自动物，但有关下丘脑的新信息已用于人类治疗。例如，人们正在努力使用深部脑刺激来针对下丘脑的后端，以防止或减少攻击性。针对下丘脑中的特定回路也有潜力阻止失眠和成瘾等其他问题。林预测，在未来 10 年内，我们将听到更多针对下丘脑治疗令人不安的行为的临床试验的消息。