恐惧和焦虑的神经生物学研究
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2004年9月27日
杨权 2004-8-8 14:14:59 中华神经科杂志2000年第33卷第3期
害怕是面临威胁性情境时的情绪反应，当害怕显著超过了应有的程度时称为恐惧；在无现实威胁时，感到的害怕或担心则称为焦虑。过去曾经认为情绪很难用神经科学的方法探讨，而现在情绪已成为神经科学的一个热门研究课题。对恐惧和焦虑的神经通路及发生机制的研究已获得很大进展。这类研究是在经典条件反射的基础上，采用了新的研究方法，例如，用微电凝和微量药物注射，引起某一特殊神经结构的限局性损害，然后观察其相关的行为效应，或者用电生理学方法记录神经电生理改变。
一、经典恐惧条件反射
这是研究恐惧的最简单、最直接的方法。人在面临恐惧时会发生防卫反应，包括：(1)行为改变，会选择战斗或逃跑；(2)自主神经功能改变，出现心跳加快、血压升高和出汗等；(3)神经内分泌改变，主要是下丘脑-垂体-肾上腺(hypoth-alamic-pituitary-adrenal, hPA)轴活动增强，血皮质醇水平升高。用条件反射的方法同样能引出类似的反应。将中性刺激，如单调的声音(条件刺激)，与一种可引起恐惧的刺激(如电击足部)同时给予被试动物，重复几次之后，条件刺激也可引起被试动物出现类似恐惧时的行为、自主神经和神经内分泌反应。这些反应是由恐惧直接引起的，不是习得的或条件反射性表现。换句话说，恐惧条件反射与反应的习得无关，而是将新的刺激与原有的反应联系在一起[1]。恐惧条件反射见于各种生物，脊椎动物的恐惧条件反射机制十分类似。证据表明，杏仁核及其投射可能是介导条件反射性恐惧的表达和获得的中枢控制系统[1]。
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二、听惊吓反射
(一)听惊吓反射的增强
1.恐惧增强惊吓效应(fear-potentiated startle effect)：突然用响亮的声音刺激被试者可引起惊吓反射。反射的强度可用生理指标如眨眼(eyeblink)测量。当这一反射与条件反射联合应用时，可增强听惊吓反射的强度。例如，打开灯光后3～4 s对被试动物给予声音刺激，引起一般强度的惊吓反射。当灯光与电击足部配对地给予被试动物，经过几次刺激之后，打开同样灯光后3～4 s给予声音刺激，引起的惊吓反射的强度明显增大。如果只给予灯光，而不予电击足部，经过几次之后，单独由声音引起的惊吓反射强度又恢复到原来的水平。Brown等(1951)最先描述过恐惧增强惊吓效应。Falls等[2]认为，灯光与电击足部配对刺激后，灯光引起了一种恐惧状态，这种状态增强了反射的强度。抗焦虑药物如安定或丁螺环酮不但可减轻人的恐惧反应，也可减弱灯光引起的惊吓效应。Davis等[3]认为，灯光与电击足部引起的惊吓反应增强是一种刺激特异性恐惧。
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2.光增强惊吓效应(light-enhanced startle effect)：打开强光后5～20 s给予声音刺激，引出的惊吓反射强度也增大，称为光增强惊吓效应。这一效应可由预先给予丁螺环酮或利眠宁而减弱。表明惊吓反射的增强是一种由非条件反射引起的焦虑或敏感状态[4]。这一效应有种属差异，例如夜间活动动物(如大鼠)比昼间活动动物更怕光。人在黑暗中惊吓反射增强，如很多人在突然关闭灯光时感到更焦虑，尤其是那些年幼时害怕黑暗的人。创伤后应激障碍患者在黑暗中的惊吓反射也明显增强。
3.促皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone, CRH)增强惊吓效应：脑室内给予CRH可引起类似于恐惧和焦虑时的行为和神经内分泌效应；而给予CRH拮抗剂α-螺旋CRH9-41后，可阻断应激原或条件性恐惧引起的行为和神经内分泌效应[3]。Swerdlow等[5]报道，脑室内给予CRH所增强的听惊吓反射可由利眠宁阻滞。提示CRH对惊吓反射的效应是这种多肽激素引起的焦虑效应，这是非条件性焦虑效应的另一类例子。
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(二)听惊吓反射的神经通路
惊吓反射属非条件反射。根据腓肠肌电图测定，听惊吓反射的潜伏期为8 ms。这表明它是一个由简单神经通路介导的反射。Davis等[6]最初认为，介导听惊吓反射的神经通路有四组突触：耳蜗神经腹核、外侧丘系腹侧核的腹内侧区、桥脑尾侧网状核，以及面运动神经或脊髓前角运动神经元。后来的研究表明，外侧丘系腹侧核的腹内侧区不存在听惊吓神经通路的突触。其证据有：(1)用N-甲基-D-门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, nMDA)损害桥脑尾侧网状核细胞体，可使听惊吓反射完全消失；而损害外侧丘系腹侧核或腹内侧区则不消失[7]。(2)用NMDA受体拮抗剂DL-2-氨基-5-磷酸戊酸注射到外侧丘系腹侧区使惊吓反射降低，而用上述剂量的1/60注射到桥脑尾侧网状核可使惊吓反射减少80%～90%[8]。(3)用小剂量非NMDA受体拮抗剂6-氰-7-硝基喹恶啉注射到桥脑尾侧网状核，也使听惊吓反应降低，注射到外侧丘系腹内侧则无效[9]。因此，听惊吓反射的通路由三级神经元组成：耳蜗根神经元、桥脑尾侧网状核神经元和面运动神经核或脊髓前角的运动神经元。
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三、恐惧条件反射的神经通路
条件反射含有习得成分，有高级神经中枢参与。不同的刺激，如听、视和嗅刺激都可用作条件刺激。如上所述，听刺激沿听神经到耳蜗根神经核，经外侧丘系到达内侧膝状体内的丘脑核(引起惊吓反射的信息需传到桥脑尾侧网状核)，再由丘脑核传到两个不同的靶区——杏仁核和听皮质区，而到达听皮质区的信息最后也投射到杏仁核。推测丘脑核向杏仁核提供的信息迅速，但不精确；而由听皮质提供给杏仁核的信息虽稍有延迟，但更为精确。因此，杏仁核是恐惧信息处理和恐惧习得的关键部位[1]。
四、杏仁核回路[1]
解剖学和生理学研究提示，杏仁外侧核(lateral nucleus of amygdala, LA)是丘脑和皮质听传入的主要终止部位。事实上，LA的每个神经元都接受来自听丘脑和皮质的会聚性传入。此外，杏仁中央核(central nucleus of amygdala, CEA)似与控制条件反射反应的运动系统密切接触，即CEA控制防卫反应的表达，包括行为反应、自主神经反应和HPA轴反应。损害下丘脑外侧影响交感神经系统活动(如血压改变)，损害中央灰质则影响条件性行为反应(如僵住)。
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信息从LA到CEA是通过杏仁核内部回路。到达LA的传入信息分配到基底核(basal nucleus, B)、附属基底核(accessory basal nucleus, AB)和CEA，小部分也到其它几个区，B和AB的传入再投射到CEA。损害LA和CEA(不损害其它核)，可阻断对音调条件刺激的恐惧条件反射，提示由LA到CEA的直接投射就足以介导条件反射。
对杏仁核内部回路的研究仍在深入。解剖学和生理学研究提示，听信息主要由LA的背侧亚核接受；内侧亚核接受来自背侧亚核的信息，并发出LA的大部分杏仁核内的联系。杏仁核的其它核也有类似情况。因此，如果要想了解杏仁核如何处理信息，需要在亚核水平进行研究。
五、杏仁中央核和终纹床核在恐惧和焦虑中的不同作用[3]
CEA和终纹床核(bed nucleus of stria terminalis, BST)有十分类似的传入和传出联系：它们接受来自杏仁基底外侧核的被处理过的感觉信息，都投射到参与介导恐惧和焦虑的特异性症状和体征的下丘脑和脑干等部位。而Davis等[3]却发现，这两个结构在刺激特异性恐惧(恐惧增强惊吓效应)、焦虑或敏感状态(光增强惊吓效应)和多肽引起的非条件性焦虑效应(CRH增强惊吓效应)中的作用有明显区别：损害CEA可以完全阻断刺激特异性恐惧，但对焦虑或敏感状态及非条件性焦虑效应无影响；损害BST明显减弱焦虑或敏感以及非条件性焦虑效应，但不影响刺激特异性恐惧。因此，BST可能是负责处理类似焦虑信号的系统；CEA参与处理恐惧，或许部分参与了焦虑。
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综上所述，参与介导恐惧的神经回路有：恐惧刺激信息传入丘脑和相应皮质，然后输入LA，经复杂的杏仁核内部回路处理后，由CEA输出到下丘脑和脑干的有关神经核，由它们调节机体对恐惧刺激的生理和行为反应。焦虑可能有类似的神经回路。它们的差异在于：BST可能主要负责处理焦虑信息，而杏仁核主要负责处理恐惧信息；另一差异可能在神经生化方面。如果能发现杏仁核和BST之间的神经生化差异，人们就能设计出新的更有效的药物治疗焦虑和恐惧。
作者单位：杨权(515063汕头大学医学院精神卫生中心)
参考文献
1，LeDoux j. Fear and the brain: where have we been, and where are we going? Biol psychiatry, 1998,44：1229-1238.
2，Falls WA, Miserendino MJ, Davis M. Extinction of fear-potentiated startle: blockade by infusion of an NMDA antagonist into the amygdala, J neurosci, 1992, 12:854-863.
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3，Davis M. Are different parts of the extended amygdala involved in fear versus anxiety? Biol Psychiatry, 1998, 44:1239-1247.
4，Walker DL, Davis M. Double dissociation between the involvement of the bed nucleus of the stria terminalis and the central nucleus of the amygdala in startle increases produced by conditioned versus unconditioned fear. J neurosci,1997,17:9375-9383.
5，Swerdlow NR, Geyer MA, Vale WW, et al. Corticotropin-releasing factor potentiaes acoustic startle in rats: blockade by chlordiazepoxide. psychopharmacology (Berl), 1986, 88: 147-152.
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6，Davis M, Gendelman DS, Tischler MD, et al. A primary acoustic startle circuit: lesion and stimulation studies. J Neurosci, 1982, 6: 791-805.
7，Lee Y, Lopez DE,Meloni EG, et al. A primary acoustic startle pathway: obligatory role of cochlear root neurons and the nucleus reticularis pontis caudalis. J Neurosci, 1996, 16: 3775-3789.
8，Spiera RF, Davis M. Excitatory amino acid antagonists depress acoustic startle after infusion into the ventral nucleus of the lateral lemniscus or paralemniscal zone. Brain Res, 1988, 445: 130-136.
9，Miserendino MJ, Davis M. NMDA and non-NMDA antagonists infused into the nucleus reticularis pontis caudalis depress the acoustic startle reflex. Brain res, 1993, 623: 215-222., 百拇医药
害怕是面临威胁性情境时的情绪反应，当害怕显著超过了应有的程度时称为恐惧；在无现实威胁时，感到的害怕或担心则称为焦虑。过去曾经认为情绪很难用神经科学的方法探讨，而现在情绪已成为神经科学的一个热门研究课题。对恐惧和焦虑的神经通路及发生机制的研究已获得很大进展。这类研究是在经典条件反射的基础上，采用了新的研究方法，例如，用微电凝和微量药物注射，引起某一特殊神经结构的限局性损害，然后观察其相关的行为效应，或者用电生理学方法记录神经电生理改变。
一、经典恐惧条件反射
这是研究恐惧的最简单、最直接的方法。人在面临恐惧时会发生防卫反应，包括：(1)行为改变，会选择战斗或逃跑；(2)自主神经功能改变，出现心跳加快、血压升高和出汗等；(3)神经内分泌改变，主要是下丘脑-垂体-肾上腺(hypoth-alamic-pituitary-adrenal, hPA)轴活动增强，血皮质醇水平升高。用条件反射的方法同样能引出类似的反应。将中性刺激，如单调的声音(条件刺激)，与一种可引起恐惧的刺激(如电击足部)同时给予被试动物，重复几次之后，条件刺激也可引起被试动物出现类似恐惧时的行为、自主神经和神经内分泌反应。这些反应是由恐惧直接引起的，不是习得的或条件反射性表现。换句话说，恐惧条件反射与反应的习得无关，而是将新的刺激与原有的反应联系在一起[1]。恐惧条件反射见于各种生物，脊椎动物的恐惧条件反射机制十分类似。证据表明，杏仁核及其投射可能是介导条件反射性恐惧的表达和获得的中枢控制系统[1]。
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二、听惊吓反射
(一)听惊吓反射的增强
1.恐惧增强惊吓效应(fear-potentiated startle effect)：突然用响亮的声音刺激被试者可引起惊吓反射。反射的强度可用生理指标如眨眼(eyeblink)测量。当这一反射与条件反射联合应用时，可增强听惊吓反射的强度。例如，打开灯光后3～4 s对被试动物给予声音刺激，引起一般强度的惊吓反射。当灯光与电击足部配对地给予被试动物，经过几次刺激之后，打开同样灯光后3～4 s给予声音刺激，引起的惊吓反射的强度明显增大。如果只给予灯光，而不予电击足部，经过几次之后，单独由声音引起的惊吓反射强度又恢复到原来的水平。Brown等(1951)最先描述过恐惧增强惊吓效应。Falls等[2]认为，灯光与电击足部配对刺激后，灯光引起了一种恐惧状态，这种状态增强了反射的强度。抗焦虑药物如安定或丁螺环酮不但可减轻人的恐惧反应，也可减弱灯光引起的惊吓效应。Davis等[3]认为，灯光与电击足部引起的惊吓反应增强是一种刺激特异性恐惧。
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2.光增强惊吓效应(light-enhanced startle effect)：打开强光后5～20 s给予声音刺激，引出的惊吓反射强度也增大，称为光增强惊吓效应。这一效应可由预先给予丁螺环酮或利眠宁而减弱。表明惊吓反射的增强是一种由非条件反射引起的焦虑或敏感状态[4]。这一效应有种属差异，例如夜间活动动物(如大鼠)比昼间活动动物更怕光。人在黑暗中惊吓反射增强，如很多人在突然关闭灯光时感到更焦虑，尤其是那些年幼时害怕黑暗的人。创伤后应激障碍患者在黑暗中的惊吓反射也明显增强。
3.促皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone, CRH)增强惊吓效应：脑室内给予CRH可引起类似于恐惧和焦虑时的行为和神经内分泌效应；而给予CRH拮抗剂α-螺旋CRH9-41后，可阻断应激原或条件性恐惧引起的行为和神经内分泌效应[3]。Swerdlow等[5]报道，脑室内给予CRH所增强的听惊吓反射可由利眠宁阻滞。提示CRH对惊吓反射的效应是这种多肽激素引起的焦虑效应，这是非条件性焦虑效应的另一类例子。
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(二)听惊吓反射的神经通路
惊吓反射属非条件反射。根据腓肠肌电图测定，听惊吓反射的潜伏期为8 ms。这表明它是一个由简单神经通路介导的反射。Davis等[6]最初认为，介导听惊吓反射的神经通路有四组突触：耳蜗神经腹核、外侧丘系腹侧核的腹内侧区、桥脑尾侧网状核，以及面运动神经或脊髓前角运动神经元。后来的研究表明，外侧丘系腹侧核的腹内侧区不存在听惊吓神经通路的突触。其证据有：(1)用N-甲基-D-门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, nMDA)损害桥脑尾侧网状核细胞体，可使听惊吓反射完全消失；而损害外侧丘系腹侧核或腹内侧区则不消失[7]。(2)用NMDA受体拮抗剂DL-2-氨基-5-磷酸戊酸注射到外侧丘系腹侧区使惊吓反射降低，而用上述剂量的1/60注射到桥脑尾侧网状核可使惊吓反射减少80%～90%[8]。(3)用小剂量非NMDA受体拮抗剂6-氰-7-硝基喹恶啉注射到桥脑尾侧网状核，也使听惊吓反应降低，注射到外侧丘系腹内侧则无效[9]。因此，听惊吓反射的通路由三级神经元组成：耳蜗根神经元、桥脑尾侧网状核神经元和面运动神经核或脊髓前角的运动神经元。
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三、恐惧条件反射的神经通路
条件反射含有习得成分，有高级神经中枢参与。不同的刺激，如听、视和嗅刺激都可用作条件刺激。如上所述，听刺激沿听神经到耳蜗根神经核，经外侧丘系到达内侧膝状体内的丘脑核(引起惊吓反射的信息需传到桥脑尾侧网状核)，再由丘脑核传到两个不同的靶区——杏仁核和听皮质区，而到达听皮质区的信息最后也投射到杏仁核。推测丘脑核向杏仁核提供的信息迅速，但不精确；而由听皮质提供给杏仁核的信息虽稍有延迟，但更为精确。因此，杏仁核是恐惧信息处理和恐惧习得的关键部位[1]。
四、杏仁核回路[1]
解剖学和生理学研究提示，杏仁外侧核(lateral nucleus of amygdala, LA)是丘脑和皮质听传入的主要终止部位。事实上，LA的每个神经元都接受来自听丘脑和皮质的会聚性传入。此外，杏仁中央核(central nucleus of amygdala, CEA)似与控制条件反射反应的运动系统密切接触，即CEA控制防卫反应的表达，包括行为反应、自主神经反应和HPA轴反应。损害下丘脑外侧影响交感神经系统活动(如血压改变)，损害中央灰质则影响条件性行为反应(如僵住)。
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信息从LA到CEA是通过杏仁核内部回路。到达LA的传入信息分配到基底核(basal nucleus, B)、附属基底核(accessory basal nucleus, AB)和CEA，小部分也到其它几个区，B和AB的传入再投射到CEA。损害LA和CEA(不损害其它核)，可阻断对音调条件刺激的恐惧条件反射，提示由LA到CEA的直接投射就足以介导条件反射。
对杏仁核内部回路的研究仍在深入。解剖学和生理学研究提示，听信息主要由LA的背侧亚核接受；内侧亚核接受来自背侧亚核的信息，并发出LA的大部分杏仁核内的联系。杏仁核的其它核也有类似情况。因此，如果要想了解杏仁核如何处理信息，需要在亚核水平进行研究。
五、杏仁中央核和终纹床核在恐惧和焦虑中的不同作用[3]
CEA和终纹床核(bed nucleus of stria terminalis, BST)有十分类似的传入和传出联系：它们接受来自杏仁基底外侧核的被处理过的感觉信息，都投射到参与介导恐惧和焦虑的特异性症状和体征的下丘脑和脑干等部位。而Davis等[3]却发现，这两个结构在刺激特异性恐惧(恐惧增强惊吓效应)、焦虑或敏感状态(光增强惊吓效应)和多肽引起的非条件性焦虑效应(CRH增强惊吓效应)中的作用有明显区别：损害CEA可以完全阻断刺激特异性恐惧，但对焦虑或敏感状态及非条件性焦虑效应无影响；损害BST明显减弱焦虑或敏感以及非条件性焦虑效应，但不影响刺激特异性恐惧。因此，BST可能是负责处理类似焦虑信号的系统；CEA参与处理恐惧，或许部分参与了焦虑。
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综上所述，参与介导恐惧的神经回路有：恐惧刺激信息传入丘脑和相应皮质，然后输入LA，经复杂的杏仁核内部回路处理后，由CEA输出到下丘脑和脑干的有关神经核，由它们调节机体对恐惧刺激的生理和行为反应。焦虑可能有类似的神经回路。它们的差异在于：BST可能主要负责处理焦虑信息，而杏仁核主要负责处理恐惧信息；另一差异可能在神经生化方面。如果能发现杏仁核和BST之间的神经生化差异，人们就能设计出新的更有效的药物治疗焦虑和恐惧。
作者单位：杨权(515063汕头大学医学院精神卫生中心)
参考文献
1，LeDoux j. Fear and the brain: where have we been, and where are we going? Biol psychiatry, 1998,44：1229-1238.
2，Falls WA, Miserendino MJ, Davis M. Extinction of fear-potentiated startle: blockade by infusion of an NMDA antagonist into the amygdala, J neurosci, 1992, 12:854-863.
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3，Davis M. Are different parts of the extended amygdala involved in fear versus anxiety? Biol Psychiatry, 1998, 44:1239-1247.
4，Walker DL, Davis M. Double dissociation between the involvement of the bed nucleus of the stria terminalis and the central nucleus of the amygdala in startle increases produced by conditioned versus unconditioned fear. J neurosci,1997,17:9375-9383.
5，Swerdlow NR, Geyer MA, Vale WW, et al. Corticotropin-releasing factor potentiaes acoustic startle in rats: blockade by chlordiazepoxide. psychopharmacology (Berl), 1986, 88: 147-152.
, http://www.100md.com
6，Davis M, Gendelman DS, Tischler MD, et al. A primary acoustic startle circuit: lesion and stimulation studies. J Neurosci, 1982, 6: 791-805.
7，Lee Y, Lopez DE,Meloni EG, et al. A primary acoustic startle pathway: obligatory role of cochlear root neurons and the nucleus reticularis pontis caudalis. J Neurosci, 1996, 16: 3775-3789.
8，Spiera RF, Davis M. Excitatory amino acid antagonists depress acoustic startle after infusion into the ventral nucleus of the lateral lemniscus or paralemniscal zone. Brain Res, 1988, 445: 130-136.
9，Miserendino MJ, Davis M. NMDA and non-NMDA antagonists infused into the nucleus reticularis pontis caudalis depress the acoustic startle reflex. Brain res, 1993, 623: 215-222., 百拇医药