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做愛吧!不要征戰:性與暴力的神經機制

活躍星系核_96
・2014/01/08 ・2493字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

“make love, not war” 或許這口號比我們所想像的,
還更深層地烙印在我們的神經系統之中。

文 / Yuting Chang(中央大學認知神經科學研究所)

當提到「暴力」、「侵略」以及「衝動」這些字眼時,大概沒有多少人會對它們產生正面的聯想,然而這樣的行為卻在演化上被大量的保留於無數的物種之中,畢竟不論在覓食、捍衛領域或是尋求伴侶,都可能需要強勁的攻擊能力;不過是甚麼樣的機制讓個體只在適當的「時機」對適當的「對象」進行攻擊?不同行為的輸出又是怎麼被神經系統所選擇的?

credit: CC byDavid Kingham@flickr
credit: CC byDavid Kingham@flickr

1973 年與 Karl von Frisch 以及 Konrad Lorenz 同獲諾貝爾生理醫學獎的動物行為學家 Niko Tinbergen 曾根據他對三棘魚的觀察,為不同行為之間的關係提出驚人的假說。他認為動物的行為是依據階層 (hierarchy) 的形式所建構。以下圖為例,「僵住」與「逃跑」皆屬於「防禦行為」的分類群,而「築巢」與「交配」則屬於「生殖行為」的分類群,這項假說背後暗示在神經解剖上,「僵住」與「逃跑」兩種行為的神經迴路或腦區可能比起「僵住」與「築巢」相比時更為靠近。此外,同一類群下的同一階層行為間可能有相互抑制 (reciprocal inhibition) 的現象,換言之,個體不是逃跑就是僵住,兩個行為不太可能同時發生。面對不同的環境變化時 (季節、溫度或是交配對象、競爭者、掠食者的出現) 會誘發不同分類群的行為與階層,最後引導出某一特定的行為。相當重要的是,儘管攻擊行為出現在在許多動物的防禦行為中。Tinbergen 卻將「戰鬥與攻擊行為」定義在「生殖行為」的分類下,

如圖所示:

p1

Kollack-Walker 和 Newman (1995)在倉鼠的研究中發現,位在下視丘腹側 (Ventrolateral subdivision of the ventromedial hypothalamic nucleus, VMHvl),一個以往被認為負責生殖行為的腦區,同時在「交配」以及與「雄性間相互攻擊」時都產生了活化,但活化的情形並不相同。

David Anderson的研究團隊則進一步在小鼠的實驗中,證實了VMHvl同時存在著「交配時活化」、「攻擊時活化」以及「交配及攻擊時皆會活化」的神經元。

電生理紀錄

實驗一開始雄鼠被單獨置放於一個實驗空間,接著實驗人員將另一隻雄鼠也放進同一個箱子內,這時,某些位於VMHvl的神經元會產生劇烈的活化,從行為上也可以看見這隻原本就待在箱子裡的雄鼠開始攻擊這個雄性入侵者;有趣的是,當實驗人員放進去的是雌鼠時,某些負責攻擊行為的VMHvl神經元竟是完全的悄然無聲 (研究人員將神經元電生理紀錄到的訊號轉換成聲音訊號,藉此了解神經活化的狀況與行為的關係)。這樣的結果暗示著雌性的出現以及隨後的交配行為引發了某種「抑制」的機制,將雄鼠原本的攻擊迴路給凍結了。

光遺傳學實驗

僅憑藉電生理的紀錄只能建立VMHvl神經元與行為的相關,仍不能肯定的宣稱是這些神經元的活動變化造成不同的行為。為了進一步確認這些神經元與攻擊行為的因果關係,研究人員利用光遺傳學的技術,使得特定的神經元表達光敏感受器,那些表達光敏感受器的神經元就能夠被植入腦部的光纖所任意的操弄,光一打開,特定的神經元便會因為光的誘發而產生電衝動(或被抑制)-可以參考:Ed Boyden: 為神經元安裝發光的配備基洛.米辛博的基因改造大腦。實驗的結果發現,當光線照射到這些VMHvl 神經元後,果然立即可以觀察到雄鼠產生一個明顯的攻擊行為,而且一旦這些神經元被活化,攻擊的對象彷彿便喪失了某種程度的專一性,不論當時的入侵者是已經被閹割的雄鼠、或是可以與牠做愛的性感雌鼠,甚至是一隻橡膠手套都將成為這隻抓狂雄鼠的攻擊目標。

然而這個實驗最有趣的還不僅於此,同樣是在雌鼠進入箱子中,在牠們相遇的不同時期利用光將VMHvl負責攻擊行為的神經元開啟,卻有全然不同的結果。這項分析發現,當雄鼠和雌鼠才剛相遇而尚未開始交配時開啟光源,雄鼠有超過80%以上的可能仍然會攻擊雌鼠;但等到牠們已經開始交配的時候再開啟光源,雄鼠的腦似乎就不怎麼聽從這些神經元的使喚,攻擊的機率低於40%;重頭戲來了,當進入了交配的尾聲,最後雄鼠射精了之後,這時再開啟光源──你沒有猜錯,雄鼠攻擊雌鼠的機率瞬間回升到80%附近,且與交配前的那一組數據沒有統計上的顯著差異。

對精神病學的啟示

這些實驗結果確實支持了Tinbergen半個世紀以前就提出的階層式行為假說,參與「性」及「攻擊」行為的神經基礎確實相當緊密,且相互牽制。

Anderson指出演化驅使這兩個看似南轅北轍的行為有如此的關聯,可能是為了防止交配時雄性對雌性進行不當的攻擊。回到人類來看,極端且可能傷害他人的性暴力行為很有可能就是這個相互牽制的神經迴路發生了問題──暴力與性同時發生。檢視人類中許多相關的反社會病態人格以及異常的性暴力行為,是否也有同樣的神經迴路發生異常,是下一步科學家需要藉著腦造影或其他更多新的技術探索的,若結果是肯定的,那麼將需要更多的努力去釐清從遺傳到環境的各種因子中,如何塑造出這樣的迴路,影響個體的一生。

後記:皆與「性」有關?

除了暴力與性的關係,其他從生殖到情感等各種相關行為一直是生物學與心理學領域極度令人振奮的研究主題,近年來更有學者呼籲所有神經科學的研究都應該嚴謹的考慮性別差異的存在(Cahill, 2006; Jazin & Cahill, 2010)。儘管相較於許多更複雜的人類認知功能,這些行為在演化上是這麼的原始而單純,我們對它的了解卻依然相當有限。然而隨著一項又一項研究技術與方法的突破,我們越來越能夠把抽象的心智與觸摸得到的神經系統給連結起來。藉著神經科學與心理學攜手合作,努力抽絲剝繭,釐清行為多樣性背後的生理機制和演化上的意義,這顯然比某些人高談闊論妄想中的「雲霧」或「魂結」還要來得更有建設性許多。

研究原文:

  1. Anderson, D. J. (2012). Optogenetics, sex, and violence in the brain: implications for psychiatry. Biological psychiatry, 71(12), 1081-1089.  
  2. Cahill, L. (2006). Why sex matters for neuroscience. Nature Reviews Neuroscience, 7(6), 477-484.
  3. Jazin, E., & Cahill, L. (2010). Sex differences in molecular neuroscience: from fruit flies to humans. Nature Reviews Neuroscience, 11(1), 9-17.
  4. Kollack-Walker, S., & Newman, S. W. (1995). Mating and agonistic behavior produce different patterns of Fos immunolabeling in the male Syrian hamster brain. Neuroscience, 66(3), 721-736.
  5. Lin, D., Boyle, M. P., Dollar, P., Lee, H., Lein, E. S., Perona, P., & Anderson, D. J. (2011). Functional identification of an aggression locus in the mouse hypothalamus. Nature, 470(7333), 221-226.
  6. Tinbergen, N. (1951). The study of instinct.

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活躍星系核_96
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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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