先天vs后天：双胞胎研究揭示大脑功能遗传性

很多证据表明我们从父母那里继承了很多大脑结构上的特性，比如大脑尺寸、皮质形状等。但面对特定的任务和情绪时，我们大脑的功能是否也具有遗传性？后天环境的影响有多大？这些都是大脑研究中悬而未决的问题。近日一项研究通过分析上百对双胞胎的大脑发现，我们处理不同情绪和认知任务的方式可能由遗传以及环境因素共同决定。

这项研究于2024年2月12日发表在《人脑图谱》（Human Brain Mapping）杂志上，由来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）和澳大利亚神经科学研究所（NeuRA）的7名科学家共同完成。研究者们通过对双胞胎进行功能性磁共振成像（fMRI）扫描，分析了环境和遗传对大脑在面对不同任务时的情绪和认知的影响。

该研究的主要作者 Haeme Park 博士表示：“我们已经进行了相当多的研究来探索遗传与环境对大脑结构的影响，但要理解我们大脑的功能则更为困难。”结果显示，情绪和认知任务的情况非常复杂。一些情绪和认知任务部分与遗传有关，另一些则完全与环境有关。

他们还发现，一些相同的遗传和环境因素可能在大脑面对不同任务的反应中都起到作用。例如，一些相同的遗传因素影响了我们如何处理恐惧和快乐，以及我们如何维持注意力。

该研究的共同通讯作者Justine Gatt 表示：“这项研究很有趣，我们进一步了解到我们的生活经验在多大程度上调节了某些大脑过程。这说明除了一些无法改变的生物特性以外，我们对自己的大脑还拥有着一定的支配权。”

“了解我们大脑功能的哪些方面与环境密切相关，可以帮助我们制定个性化的干预方法，以提升心理幸福感，促进心理健康。”他说。

宝贵的双胞胎研究

大脑功能“先天vs后天”的辩论并不新鲜，双胞胎研究能够给这一争论提供最有力的论据。

双胞胎拥有相似甚至相同的基因，并共享家庭成长环境，也拥有自身独特的环境（塑造生活的个体事件），因此成为遗传学家和心理学家评估这些因素对特定特征影响的独特研究工具。

“对于双胞胎研究，招募同卵和异卵双胞胎都很重要，” Gatt 教授说道，“同卵双胞胎共享100％的遗传，如果他们一起长大，他们共享相同的环境。而对于非同卵双胞胎来说，他们只有50％的遗传基因是共享的，但他们有相同的环境。”

双胞胎研究为大脑形态的遗传性提供了有力证据，表明不同脑区域的结构变异可以归因于遗传因素。另一方面，对大脑功能（例如通过脑电图评估）的遗传性研究较少，该研究通过检索发现相关研究仅有26项，且结果参差不齐。

Park 博士表示：“在这项研究中，我们想要弥合文献中的许多差距，并通过分析双胞胎，更加全面和有力地描绘遗传和环境因素对情绪和认知任务中大脑活动表达的影响。”

认知和情绪任务

最近的这篇论文是来自 TWIN-E 研究的众多论文之一，该研究于2009年招募了来自澳大利亚全国各地的1600对同卵和异卵双胞胎，并由 Gatt 教授领导。其中共有270名成年双胞胎参与本次研究。

Gatt 教授表示：“我们让参与者躺在装有护目镜的fMRI（功能性磁共振成像）扫描床上，这些护目镜可以让他们看到前方的任务。功能性任务涉及通过护目镜观察不同的图像和刺激。”

当参与者在完成任务时，fMRI机器正在扫描他们的大脑以测量其活动。

这些双胞胎完成了总共五项任务。其中两项与情绪反应有关，例如对不同表情的反应，其他三项与认知有关，例如维持注意力和短期记忆能力。

fMRI扫描结果可以显示大脑不同过程的活跃区域，大脑激活程度的强度可以用一个尺度来衡量。

“那些在某些大脑区域显示出较高激活的个体有更高的数值，而那些激活较低的个体则有较小的数值。然后我们使用这些数据进行所谓的‘双胞胎建模’。”Park 博士表示，“通过统计学的计算，我们就能了解在这些数据差别中，遗传和环境分别扮演着什么角色。”

双胞胎建模揭示功能遗传性

双胞胎建模方法揭示了他们对结果分析的两个关键发现。

首先，研究人员分析了在个体处理任务的过程中遗传与环境对大脑的影响。“我们对不同过程使用不同的大脑网络——例如，处理哭泣的面孔或快乐的面孔将使用大脑的不同区域，而不同于试图记住某人的电话号码。”Gatt 教授说道。

“但我们发现对于其中一些网络，遗传在一定程度上起到了较小到中等但重要的作用。而对于其他过程，只有环境决定了大脑功能。”

具体来说，研究使用了多元独立成分分析（ICA）和单变量大脑兴趣区域（ROI）分析两种量化分析方法。结果表明，ICA分析中的工作记忆、持续注意、正面和负面情绪表情的非自觉加工，以及选择性注意大脑功能显示出小到中等程度（21%–34%）的遗传贡献，而情绪和反应抑制方面没有遗传性的证据。

当使用ROI方法时，双侧岛叶和中央上额叶皮质激活水平显示出类似水平的遗传性（29%–34%），表现在参与者处理悲伤表情的非自觉加工和选择性注意的过程中，但在意识到的正面/负面情绪、工作记忆、持续注意和反应抑制过程中则没有遗传影响。

分析的第二部分发现，支撑不同任务的遗传和环境因素存在相似性。

“例如，我们发现大脑如何处理恐惧和快乐（在情绪任务中测量）以及我们维持注意力的能力（在认知任务中测量），具有一些共享的遗传因素，”Park 博士表示，“这表明一些共同的遗传特征可能支持这些非常不同的过程。”

团队还发现，我们维持注意力的能力和我们的工作记忆（短效记忆）具有相同的环境贡献，这表明来自个人环境的生活经验在这两个过程的大脑活动表达中起到了重要作用。

提升心理幸福和韧性

尽管结果显示我们的遗传和生活经验对决定我们的大脑功能至关重要，但这个谜团远未解开。

“仍然有很多东西需要探索。”Park 博士说道。该团队最近对参与者进行了随访，并期待在10年后再次让他们执行相同的任务。Gatt 教授、Park 博士和他们的团队将重新评估结果，以查看遗传和环境对这些大脑过程的影响随时间的变化。

Gatt 教授表示：“所有这些结果描绘了基因与环境之间复杂的关系，这些关系产生了我们认知和情绪底层的大脑活动。但了解更精确的细节可能有助于制定个性化的干预方法，以促进更高的心理幸福感，或者减少心理困扰。”

正在进行的 TWIN-E 研究更广泛地关注心理幸福和韧性。“我们将这些数据用于除了研究基因和环境之外，还预测随时间推移的心理幸福和韧性轨迹，并查看脑功能和结构等标志物的差异可能会使一些人更具韧性或更容易患上心理健康问题。”Gatt 教授说道。

Gatt 教授解释说：“了解我们的生活经验在某些过程中的影响程度与遗传的影响相比是重要的，尤其对于情绪和焦虑障碍的患者来说。”

“如果某个人比起正面刺激来说更容易关注负面刺激，并且我们知道环境也在其中起到一定作用，那么通过干预或训练，我们就可以针对性地改善。”他说。