我們知道，恐懼和焦慮等情緒會使心跳加快。那反過來，增加心率會不會提高焦慮水平？（比如：喜歡的人突然迎面走來
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每個人都熟悉情緒和身體感覺之間的聯系：當你聽到怪異的聲音時，你的手臂后面的汗毛會豎起來，或者當你收到壞消息時，你內心會有一種下沉的感覺。但是，情緒是否會驅動身體機能或反之亦然的問題長期以來一直困擾著研究人員，因為很難獨立控制任何一個因素。自19世紀80年代以來，這一直是一個雞生蛋還是蛋生雞的問題，其因果關系非常難以判定。為了直接測試這一現象，光遺傳學之父、斯坦福大學Karl Deisseroth等人轉向了光遺傳學，這是一種利用光來控制細胞活動的方法。該團隊對老鼠進行了生物工程，使老鼠心臟的肌肉細胞對光敏感。
該團隊開發了一種工具：一種非侵入性光學起搏器。它基于將攜帶編碼光敏蛋白（視蛋白 ChRmine）的基因的病毒載體全身遞送到小鼠體內。當用紅光照射時，帶正電的離子流過這種蛋白質，使表達它的細胞去極化。在作者的實驗中，目標細胞是心肌細胞，其去極化會觸發肌肉收縮。通過將以規定頻率閃爍的紅色微型發光二極管 (micro-LED) 安裝到老鼠穿的背心上，作者可以應用他們的“光遺傳學”策略來控制心率，即當一只老鼠的背心發出光脈沖時，該動物的工程心臟肌肉就會啟動，導致心臟跳動。ChRmine 以前曾被用于精確控制大腦深部區域的特定神經回路，而無需進行顱內手術。該研究團隊擴展了這種分子工具的應用，使用它來控制整個器官的活動（步調），并確定任何心對腦對焦慮的影響。作者應用他們的方法來測試心率增加到每分鐘900次（比基線頻率高 36%）是否會改變自由行為小鼠的焦慮水平。研究人員使用兩種方法來評估焦慮——將動物放在迷宮或開闊的場地中，這兩種方法都包括安全和暴露的區域。作者發現，光學誘發的心動過速導致兩種測定中更多地避免暴露區域，反映出焦慮相關行為的增加。這是一個明確的證明，至少在老鼠身上，心率會影響焦慮，也可能會影響其他情緒行為。為了研究這種心動過速引起的焦慮背后的神經生物學，研究人員在光學誘發的心動過速 15 分鐘后對大腦活動進行了篩查。神經元的全腦圖譜揭示了響應心動過速的基因表達變化。作者發現兩個區域的神經元——后島葉皮層（后腦島）和腦干——被強烈激活。活體小鼠的電生理記錄也顯示，在光誘發心動過速期間，后腦島神經元的放電率增加。島葉皮層參與內感受處理和焦慮相關行為。到這個階段，作者發現心率增加后后島葉活動會相應增加。但該區域是否參與心動過速引起的焦慮仍有待確定。為了研究這一點，研究人員使用不同的視蛋白——藍光敏感蛋白 iC++，通過光遺傳學抑制后島葉神經元。在這樣做的過程中，他們有了第二個發現：在光學起搏期間抑制后腦島減少了心動過速引起的焦慮行為。這表明后腦島傳遞有關心率的信息以影響焦慮。衰減是后腦島特有的，并且在不同區域（內側前額葉皮層）的光遺傳學抑制中沒有觀察到。
圖|后腦島的光遺傳學抑制減弱了光學起搏引起的焦慮反應總的來說，該研究發現，心率的增加會促進小鼠的焦慮相關行為，并且這是通過激活包括后腦島在內的特定大腦結構來調節的。作者的綜合研究也提出了新問題，并開辟了研究領域。例如，允許后腦島被心動過速激活的神經回路和機制——以及誘發焦慮行為的回路——尚未確定。Hsueh, B., Chen, R., Jo, Y. et al. Cardiogenic control of affective behavioural state. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-05748-8
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