人与狗的大脑可同频共振？最新研究有望打开自闭症黑匣子

大家有没有过这种体验，当你的亲人、朋友难过时，你也会感到悲伤；当他们开心时，你也会感到快乐。这其实是因为你们的大脑在“同频共振”。意思就是说，在你与其他人的互动中，你们的大脑形成一个相互关联的系统，彼此“连接”了。

除了人类，像是小鼠、蝙蝠和猴子等动物，当它们与同类个体进行互动时，它们的大脑也会“同步”。但据最新科学研究显示，这样的同频共振现象，不光存在于人类之中，也能出现在不同物种之间，比如人类与狗狗。

近日，张永清教授首次观察到了不同物种之间的“神经耦合”，也就是说，当你和狗狗对视或互动的时候，你和它的大脑会产生“同步”的神经元放电活动。这种独特的跨物种社交互动的神经机制是怎么回事？和自闭症又有什么关联？一起来看看

人与狗的大脑可同频共振

2024年9月11日，中国科学院遗传与发育生物学研究所张永清研究员团队与中科院自动化所余山研究员、英国林肯大学郭昆教授以及北京师范大学卢春明教授合作在Advanced Science 在线发表题为“Disrupted Human–Dog Interbrain Neural Coupling in Autism-Associated Shank3 Mutant Dogs”《Shank3突变犬的人–犬跨脑同步化缺陷》的研究论文，该研究报道了以前未知的人狗互动中跨物种的脑间活动耦合。

了解跨物种的大脑同步化现象，张永清团队的目的是了解个体间在社交互动时的大脑动态，探索自闭症的神经生物学基础。

人类和狗之间的交流水平是猫等许多家养动物或伴侣动物难以达到的。”论文第一作者、张永清的博士生任炜说。

狗与人类的互动亲密有效。那么，这一种间个体社会交流的神经基础是什么？两个物种个体的脑神经如何关联耦合？

为了回答这些问题，研究者给参试者和实验室的比格犬戴上了“脑电帽”，并通过这种非侵入性无线脑电图（EEG）技术记录两者社交互动过程中的大脑活动。

张永清表示：“这个技术能帮我们搞清楚诸如触摸、目光接触及言语沟通等不同类型的社交互动，会怎样影响脑电波的同步性。”

实 验 结 果

01人类与狗之间的脑神经耦合

为了研究社交互动期间人狗二人组的大脑活动动态，研究者采用无创无线脑电图同时记录狗和人类的大脑活动。

在实验设置中（图1A），研究者在三种不同的条件下同时记录了人和狗的脑电图数据，即：①在单独的房间里没有社会互动；②在同一个房间里有社会互动；③在同一个房间里没有社会互动。

观察发现，在社交互动过程中，人类与狗狗之间的额叶和顶叶区域的脑间相关性高于其他大脑区域（图1D、E）。图1：人与狗互动过程中的脑间活动耦合

研究者记录了在5天的社会交往中狗和人的大脑活动。

这只狗在实验前不熟悉实验者，研究者发现，在额叶区和顶叶区，脑间活动耦合分别从第一天的0.09ns0.03和0.06u.03显著增加到第五天的0.37u0.03和0.40u0.05(图1F)。线性回归结果显示，社会互动持续时间与脑间活动相关性呈显著正相关。（图1D）提供了一个在额叶和顶叶区域的脑间相关性的例子，随着人类和狗在5天内反复的相互作用，这种相关性会增加。

02相互凝视和爱抚在不同的大脑区域引起脑间活动耦合

对视和社交接触是非语言交流的两种基本形式[1 , 2]。 在相互注视期间，额叶区和顶叶区的脑间相关性从0.010-0.0048和0.013-0.0054显著增加。（图2B）图2：相互凝视和爱抚分别促进额区和顶叶区的大脑间活动耦合

在爱抚过程中，额叶区和顶叶区的脑间相关性从0.019-0.0066和0.016-0.0071显著增加，分别为0.090-0.0071和0.17-0.0096（P < 0.05, Mann‒Whitley U 测试）。（图 2C、D ）

据此，研究者发现人犬大脑也可以“同频共振”，而且人与犬之间的脑电活动具有空间特异性。比如互相凝视可以诱导犬与人大脑前额叶的神经活动的同步化，而抚摸则可以诱导大脑顶叶区域神经活动的同步化。

而且，研究团队发现随着互动时间的增加，家犬与人脑电同步化的程度也在提高。同时，在脑电同步化中，人的大脑活动会先开始，然后狗狗的大脑会跟随响应。“这种关系类似于师生互动，学生通常会跟随老师的引导。”张永清说。

这是科学界首次证明不同物种个体间社交互动时存在大脑同步化现象。看到这里，可能大家还是不理解人和狗的大脑“同频共振”有什么作用呢？实际上，这个研究的目的是为了探索自闭症的神经生物学基础。

近年来研究发现，自闭症的大脑同步化能力存在缺陷。这种缺陷可能导致自闭症在社交互动中无法有效地与他人建立神经连接，从而引发社交障碍等症状。

2023年，张永清教授聚焦自闭症最常见的突变基因Shank3，用CRISPR/Cas9基因编辑技术，敲除了家犬的部分Shank3基因，建立了国际上首个家犬孤独症模型。

张永清团队与合作者用基因编辑技术建立了全球首个孤独症家犬模型，并开发了可实时测量家犬瞳孔变化的眼动测量技术。相关研究在Nature系列期刊Molecular Psychiatry杂志以姊妹篇文章在线发表。

携带这种病变的狗会表现出明显的社交障碍

研究发现，携带这种病变的狗会表现出明显的社交障碍，在与人类的互动中会表现出注意力下降，这就说明基因突变会导致它们的大脑在社交活动中无法正常地接收和处理信息，这一发现为理解自闭症大脑同步化缺陷提供了重要证据。

研究人员尝试对突变犬注射致幻剂麦角酸二乙酰胺（LSD），24小时之后发现，人狗之间大脑额叶和顶叶区域的脑间活动耦合有了显著的增加。这就表明，单剂量的LSD就能挽救Shank3突变犬受损的脑间耦合和注意力。

此前的研究表明，致幻剂对精神类疾病有潜在的治疗作用，包括对抑郁症的治疗。现在，张永清首次发现单剂量的LSD能挽救Shank3突变犬受损的脑间耦合和注意力，这表明LSD可能改善孤独症人群的社交行为。

注：致幻剂是一类能够影响中枢神经系统，引起感觉和情绪上变化的物质。常见的致幻剂包括麦角酸二乙酰胺(LSD)、大麻、迷幻蘑菇等。这些物质通常被归类为精神活性物质，因其可能引发幻觉、错觉等精神症状而备受争议。

从发现人与狗大脑之间神经元活动的同步化，再到揭示LSD对Shank3突变犬社交行为的有益影响，为使用致幻剂治疗精神疾病和精神障碍提供了新的证据。

张永清表示，目前不同物种个体间大脑同频共振的分子机制以及LSD等致幻剂改善脑电同步化的相关机制尚不清楚，下一步仍需开展更多深入研究。

参考文献：

[1] C. L. Kleinke, Psychol. Bull. 1986, 100, 78.

[2] A. Cekaite, M. H. Goodwin, Annu. Rev. Anthropol. 2021, 50, 203.