先天vs后天：雙胞胎研究揭示大腦功能遺傳性
·“了解我們的大腦功能的哪些方面與環境密切相關，可以幫助我們制定個性化的干預方法，以提升心理幸福感，促進心理健康。”
很多證據表明我們從父母那里繼承了很多大腦結構上的特性，比如大腦尺寸、皮質形狀等。但面對特定的任務和情緒時，我們大腦的功能是否也具有遺傳性？后天環境的影響有多大？這些都是大腦研究中懸而未決的問題。近日一項研究通過分析上百對雙胞胎的大腦發現，我們處理不同情緒和認知任務的方式可能由遺傳以及環境因素共同決定。
這項研究于2024年2月12日發表在《人腦圖譜》（Human Brain Mapping）雜志上，由來自澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）和澳大利亞神經科學研究所（NeuRA）的7名科學家共同完成。研究者們通過對雙胞胎進行功能性磁共振成像（fMRI）掃描，分析了環境和遺傳對大腦在面對不同任務時的情緒和認知的影響。
該研究的主要作者 Haeme Park 博士表示：“我們已經進行了相當多的研究來探索遺傳與環境對大腦結構的影響，但要理解我們大腦的功能則更為困難。”結果顯示，情緒和認知任務的情況非常復雜。一些情緒和認知任務部分與遺傳有關，另一些則完全與環境有關。
他們還發現，一些相同的遺傳和環境因素可能在大腦面對不同任務的反應中都起到作用。例如，一些相同的遺傳因素影響了我們如何處理恐懼和快樂，以及我們如何維持注意力。
該研究的共同通訊作者Justine Gatt 表示：“這項研究很有趣，我們進一步了解到我們的生活經驗在多大程度上調節了某些大腦過程。這說明除了一些無法改變的生物特性以外，我們對自己的大腦還擁有著一定的支配權。”
“了解我們大腦功能的哪些方面與環境密切相關，可以幫助我們制定個性化的干預方法，以提升心理幸福感，促進心理健康。”他說。
寶貴的雙胞胎研究
大腦功能“先天vs后天”的辯論并不新鮮，雙胞胎研究能夠給這一爭論提供最有力的論據。
雙胞胎擁有相似甚至相同的基因，并共享家庭成長環境，也擁有自身獨特的環境（塑造生活的個體事件），因此成為遺傳學家和心理學家評估這些因素對特定特征影響的獨特研究工具。
“對于雙胞胎研究，招募同卵和異卵雙胞胎都很重要，” Gatt 教授說道，“同卵雙胞胎共享100％的遺傳，如果他們一起長大，他們共享相同的環境。而對于非同卵雙胞胎來說，他們只有50％的遺傳基因是共享的，但他們有相同的環境。”
雙胞胎研究為大腦形態的遺傳性提供了有力證據，表明不同腦區域的結構變異可以歸因于遺傳因素。另一方面，對大腦功能（例如通過腦電圖評估）的遺傳性研究較少，該研究通過檢索發現相關研究僅有26項，且結果參差不齊。
Park 博士表示：“在這項研究中，我們想要彌合文獻中的許多差距，并通過分析雙胞胎，更加全面和有力地描繪遺傳和環境因素對情緒和認知任務中大腦活動表達的影響。”
認知和情緒任務
最近的這篇論文是來自 TWIN-E 研究的眾多論文之一，該研究于2009年招募了來自澳大利亞全國各地的1600對同卵和異卵雙胞胎，并由 Gatt 教授領導。其中共有270名成年雙胞胎參與本次研究。
Gatt 教授表示：“我們讓參與者躺在裝有護目鏡的fMRI（功能性磁共振成像）掃描床上，這些護目鏡可以讓他們看到前方的任務。功能性任務涉及通過護目鏡觀察不同的圖像和刺激。”
當參與者在完成任務時，fMRI機器正在掃描他們的大腦以測量其活動。
這些雙胞胎完成了總共五項任務。其中兩項與情緒反應有關，例如對不同表情的反應，其他三項與認知有關，例如維持注意力和短期記憶能力。
fMRI掃描結果可以顯示大腦不同過程的活躍區域，大腦激活程度的強度可以用一個尺度來衡量。
“那些在某些大腦區域顯示出較高激活的個體有更高的數值，而那些激活較低的個體則有較小的數值。然后我們使用這些數據進行所謂的‘雙胞胎建模’。”Park 博士表示，“通過統計學的計算，我們就能了解在這些數據差別中，遺傳和環境分別扮演著什么角色。”
雙胞胎建模揭示功能遺傳性
雙胞胎建模方法揭示了他們對結果分析的兩個關鍵發現。
首先，研究人員分析了在個體處理任務的過程中遺傳與環境對大腦的影響。“我們對不同過程使用不同的大腦網絡——例如，處理哭泣的面孔或快樂的面孔將使用大腦的不同區域，而不同于試圖記住某人的電話號碼。”Gatt 教授說道。
“但我們發現對于其中一些網絡，遺傳在一定程度上起到了較小到中等但重要的作用。而對于其他過程，只有環境決定了大腦功能。”
具體來說，研究使用了多元獨立成分分析（ICA）和單變量大腦興趣區域（ROI）分析兩種量化分析方法。結果表明，ICA分析中的工作記憶、持續注意、正面和負面情緒表情的非自覺加工，以及選擇性注意大腦功能顯示出小到中等程度（21%–34%）的遺傳貢獻，而情緒和反應抑制方面沒有遺傳性的證據。
當使用ROI方法時，雙側島葉和中央上額葉皮質激活水平顯示出類似水平的遺傳性（29%–34%），表現在參與者處理悲傷表情的非自覺加工和選擇性注意的過程中，但在意識到的正面/負面情緒、工作記憶、持續注意和反應抑制過程中則沒有遺傳影響。
分析的第二部分發現，支撐不同任務的遺傳和環境因素存在相似性。
“例如，我們發現大腦如何處理恐懼和快樂（在情緒任務中測量）以及我們維持注意力的能力（在認知任務中測量），具有一些共享的遺傳因素，”Park 博士表示，“這表明一些共同的遺傳特征可能支持這些非常不同的過程。”
團隊還發現，我們維持注意力的能力和我們的工作記憶（短效記憶）具有相同的環境貢獻，這表明來自個人環境的生活經驗在這兩個過程的大腦活動表達中起到了重要作用。
提升心理幸福和韌性
盡管結果顯示我們的遺傳和生活經驗對決定我們的大腦功能至關重要，但這個謎團遠未解開。
“仍然有很多東西需要探索。”Park 博士說道。該團隊最近對參與者進行了隨訪，并期待在10年后再次讓他們執行相同的任務。Gatt 教授、Park 博士和他們的團隊將重新評估結果，以查看遺傳和環境對這些大腦過程的影響隨時間的變化。
Gatt 教授表示：“所有這些結果描繪了基因與環境之間復雜的關系，這些關系產生了我們認知和情緒底層的大腦活動。但了解更精確的細節可能有助于制定個性化的干預方法，以促進更高的心理幸福感，或者減少心理困擾。”
正在進行的 TWIN-E 研究更廣泛地關注心理幸福和韌性。“我們將這些數據用于除了研究基因和環境之外，還預測隨時間推移的心理幸福和韌性軌跡，并查看腦功能和結構等標志物的差異可能會使一些人更具韌性或更容易患上心理健康問題。”Gatt 教授說道。
Gatt 教授解釋說：“了解我們的生活經驗在某些過程中的影響程度與遺傳的影響相比是重要的，尤其對于情緒和焦慮障礙的患者來說。”
“如果某個人比起正面刺激來說更容易關注負面刺激，并且我們知道環境也在其中起到一定作用，那么通過干預或訓練，我們就可以針對性地改善。”他說。
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