「認知」恐懼與「反射」恐懼

04-28

想像你明天有一門重要的考試。

現在，你發現自己手上連老師劃定的教科書都沒有，沒有辦法展開任何有效的復（預）習。一股冰涼的恐懼感從胃部襲來：這次考試也許涼了。

或者，我們把時間撥快到第二天，考試真正開始的時候。面對空白的試卷，什麼都寫不出來的你，大腦成了一片空白 - 巨大恐懼與壓力讓你動彈不得。

兩種情況下，你都會感受到切切實實的恐懼。但這兩種恐懼的實質是相同的嗎？筆者希望通過自己近期的一篇工作來解答這個問題。

TL;DR - 太長不看版結論：

這兩種恐懼是不同的。前者是以腹內側前額葉皮質（vmPFC）等皮層結構主導的，與焦慮類似的「認知恐懼」（Cognitive fear）; 後者則是以中腦導水管周圍灰質（PAG）等結構主導的，更加原始的「反射恐懼」（Reactive fear）。

恐懼是一種既原始，又重要的基本情緒。有時候它會給人帶來困擾（比如各式各樣的 phobia etc.），但更多的時候它維持著我們正常的工作與生活（拖延到最後一刻，全力開始工作的動力etc.）。這方面的基本知識，可以參見拙文：人類的恐懼從何而來？

這裡想要補充的一點準備知識，是關於傳統與新興的恐懼概念模型。

LeDoux 等人在[1]這篇綜述文章中，對上述兩種恐懼概念模型進行了對比，如Fig.1所示。

Fig.1 LeDoux等人總結出的關於恐懼的「中心模型（The Fear Center Model）」與「雙系統模型（The Two-System Model）」

傳統的「中心模型」對於恐懼在大腦中處理的通路持一種直接而粗獷的觀點。從最左邊開始，感知系統（Sensory system, 包括視覺，聽覺，嗅覺等）感受到即將到來的威脅，相關的信息被傳遞到大腦中負責處理恐懼的迴路之中（Fear Circuit, 一般認為是以杏仁核為中心的一系列腦區），最後產出相應的行為結果。這些行為包括防禦性行為（比如，人在面對撲面而來的攻擊時，會下意識地進行格擋）以及對應的生理反應（心跳加快，皮膚導電率變化等等）。

這個模型非常簡潔地描述了"恐懼"的產生，以及相應的行為後果。但它的問題在於，沒有對「作為功能的恐懼」和「作為主觀感受的恐懼」進行區分。LeDoux 等人在[2]，以及 Adolphs 在[3]中均指出了這一點。恐懼，一方面是作為功能存在的（它幫助人們通過行為規避危險，並對人的生理狀態進行調節以更好地應對威脅）；另一方面，它也會反應在主觀感受上（比如文首提到的兩種恐懼）。當我們研究動物時，由於不能對動物的"主觀感受"進行探究，恐懼的這兩個方面很多時候遭到了混淆。但在對大腦結構更加複雜的人進行研究時，"中心模型"就不太準確了。

因此，LeDoux 等人根據當下積累的動物研究與理論推測，提出了一個雙系統模型。在這個模型中，功能性的恐懼與感受性的恐懼得到了區分。處理恐懼的腦區被細分成了兩部分：與功能直接相關的防禦生存環路（Defensive survival circuit），以及與主觀感受相關的認知環路（Cognitive circuit）。前者導向的是與中心模型相同的行為產出，後者則導向我們平常提到的，名為"恐懼"的主觀體驗。

雙系統模型雖然表明了恐懼這種情緒的兩個重要側面，但仍然不能解釋恐懼在人類中的複雜性。在面對不同種類的威脅時，功能性部分與感受性部分所佔的比重相同嗎？負責相關信息處理的腦區分布又如何呢？這是筆者當前工作[4]想要解決的問題。

Fig.2 「認知與反射恐懼迴路如何優化人類在風險規避中的決策」

與LeDoux提出的動物模型不同，我們沒有將感受性的恐懼單獨分離出來定義為"恐懼"。相對的，我們將恐懼中偏向感受性與偏向功能性的部分本別定義為「認知恐懼」（Cognitive Fear）與「反射恐懼」（Reactive Fear），並認為它們共同支撐著人類在日常生活中對各類威脅刺激的處理。包含這種思想的理論框架，參見[5][6][7]，這裡不贅述。

回到文章最初提出的問題：

當你在考前一晚為考試感到恐懼時，此時「考試」作為威脅，時空距離尚遠，迫切性較低，你仍有充足的時間進行對策。此時佔主導地位的是認知恐懼。它更多地表現為焦慮，計劃與決策思考；

當你在考試開始感到恐懼時，此時的威脅已經近在眼前，迫切性較高，此時佔主導地位的是反射恐懼。它更多地表現為恐慌狀態，伴隨著更多的應激性反應（如手心出汗等）。

從直覺上講，前一種恐懼更加「複雜」，伴隨著更多高級認知的成分，而後一種恐懼更加「原始」。不嚴謹地說，人的大腦是「從里往外」發展的，越往外的部分越「新」，也更多地與高級心智功能相關。平時經常看心理學/神經科學科普的讀者，一定對腹內側前額葉皮質（vmPFC = ventromedial prefrontal cortex） 這個區域非常熟悉。它就是典型的新皮層區域，並與人類的認知決策功能息息相關。因此，我們假設它會是在認知恐懼網路中主要活躍的區域。另一方面，位於中腦頂部的導水管周圍灰質（PAG = Periaqueductal gray）則主要負責痛覺調控，防禦行為等功能，我們假設它會是在反射恐懼網路中主要活躍的區域。而恐懼調控的中心杏仁核（Amygdala）則會對它們之間的聯接進行調節。

如何探究這一點呢？我們設計了一個Pacman風格的復古電腦遊戲。人類被試在磁共振掃描儀中玩這款遊戲，一邊玩一邊記錄他們的大腦活動。下面有一個簡單的介紹視頻，很歡樂的。

https://www.zhihu.com/video/969159561161154560

我們借用了生態學中的一個概念：逃跑觸發距離（Flight Initiation Distance），如Fig.3所示。

Fig.3 逃跑觸發距離的定義以及Ydenberg & Dill模型

舉一個如圖中的簡單例子。一隻兔子在草原上吃草～這個時候來了一隻狐狸。事實上，就算兔子發現了狐狸的接近，它也不一定會馬上逃走。安全吃草的機會是稀缺的，如果碰到捕食者就馬上跑走，消耗能量不說，原本的進食行為也沒有完成。這樣在進化效用（Evolutionary fitness）方面已經虧成馬了。跑得太快，吃東西方面就虧了；但跑得太慢，又會被捕食者抓到。 Ydenberg 和 Dill 在很久以前就說明了這個問題[8]：對於不同的物種，不同的個體，在捕食行為進行的時候應該存在一個最優逃跑距離。反應到個體的具體選擇上，就是 Flight Initiation Distance.

我們設計的遊戲，就是讓人類被試們扮演獵物的角色，讓他們感知由不同種類捕食者帶來的恐懼。

Fig.4 FID實驗簡圖

如Fig.4所示，被試扮演綠色的三角形（獵物）。由AI控制的圓形捕食者會在一個跑道上追殺他們。不同顏色的捕食者，會在不同的攻擊距離（Attack Distance）加速，這些攻擊距離服從不同的正態分布。如果被試在被抓到之前成功逃到了右邊的安全出口，他就能獲得金錢獎勵；但當他們被抓到時，手腕就會受到一定程度的電擊（使人難受，但並不造成疼痛），來模擬懲罰。

這個遊戲的核心在於：你在跑道區域呆的時間越長，得到的金錢獎勵就越多。但呆的時間太長，就有可能被捕食，失去所有的金錢獎勵，同時受到電擊。這是一個典型的壓力下決策（Decision making under threat）的例子。讓被試玩這個遊戲，同時掃描他們的大腦活動，我們就可以知道，當人進行不同種類的壓力下決策時，大腦中具體發生了什麼。

在這個例子中，藍色的的捕食者會在很早的時候加速，被試幾乎沒有時間進行風險與獎勵的評估。它其實模擬了前面例子中考試當天的情況 - 反射恐懼。另一方面，紅色的捕食者則會在慢慢跟蹤被試很長一段時間後再加速，被試有充足的時間進行決策 - 這就是前面例子中考試前夜的情況，認知恐懼。

Fig.5 行為實驗結果。橫坐標表示FID數值，縱坐標表示所有被試在所有trial中疊加起來的頻率。可以看到，代表認知恐懼的紅色捕食者與代表反射恐懼的藍色捕食者相比較，被試具有更大的決策多樣性。

實際的實驗結果與我們之前的假設相契合，如Fig.6所示。

Fig.6 功能性磁共振成像結果。柱狀圖與時間序列圖表現的是從感興趣區中提取的信號變化量。可以看到，在實驗組中，PAG, MCC主要負責藍色捕食者（反射恐懼）的處理；vmPFC, PCC與Hippocampus則主要負責紅色捕食者（認知恐懼）的處理。另一方面，在不給予電擊與獎勵的控制組中則觀察不到這樣的現象。

我們可以初步得出結論：文首提到的兩種恐懼是不同的。前者是以腹內側前額葉皮質（vmPFC）等皮層結構主導的，與焦慮類似的「認知恐懼」（Cognitive fear）; 後者則是以中腦導水管周圍灰質（PAG）等結構主導的，更加原始的「反射恐懼」（Reactive fear）。

附加內容：除了兩種恐懼處理涉及的大腦區域之外，我們也關心這種壓力下決策的行為是如何在大腦中進行優化的。為此，我們進行了基於貝葉斯理論的行為建模。簡單來說，我們認為被試在開始遊戲之前，對捕食者的攻擊距離分布有一個prior: $AD|c sim N(mu^c,sigma^2)$ . 這裡的c代表不同的捕食者類型。之後，在每一個trial的進行中，被試會根據當前trial的信息對自己的信念進行更新，最後構築出posterior：

$p(mu^c|left{ AD^c_i ight}) sim N(mu^c|mu_0,sigma_0^2) prod_{i} N(AD^c_i|mu_c,sigma_0^2)$

這個描述了被試的認知過程。對於被試的決策過程，我們則建立了一個效用函數：

$u(FID,AD) = eta_1 I(caught) + eta_2 M(FID)(1-I(caught))$

其中 $eta_1$ 和 $eta_2$ 分別代表被試對於懲罰的厭惡（punishment avoidance）與被試對獎賞的渴望（reward preference）。通過代入實際的行為數據，我們可以估計出每一個被試的參數，並將這些參數用於腦數據的進一步分析。

具體的推導過程可能超綱，歡迎有興趣的讀者閱讀原文。

特別感謝妹子 @Rulin X 把我拉出拖延頹廢的泥潭。否則我也不可能一口氣把論文寫完投出。

特別感謝 @Richardkwo ，靠譜的合作者。

特別感謝 @趙思家，跟她聊天總能激起「創作點什麼」的慾望。

接下來的寫作計劃包括更多的文獻介紹，以及ML技術在磁共振數據處理中的應用。

參考文獻

[1] LeDoux, J. E., & Pine, D. S. (2016). Using neuroscience to help understand fear and anxiety: a two-system framework. American journal of psychiatry, 173(11), 1083-1093.

[2] LeDoux J (2012) Rethinking the Emotional Brain. Neuron 73(4):653–676

[3] Adolphs, R. (2013). The biology of fear. Current Biology, 23(2), R79-R93.

[4] Qi, S., Hassabis, D., Sun, J., Guo, F., Daw, N., & Mobbs, D. (2018). How cognitive and reactive fear circuits optimize escape decisions in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(12), 3186-3191.

[5] Mobbs, D. (2018). The ethological deconstruction of fear (s). Current Opinion in Behavioral Sciences, 24, 32-37.

[6] McNaughton, N., & Corr, P. J. (2018). Survival circuits and risk assessment. Current Opinion in Behavioral Sciences, 24, 14-20.

[7] LeDoux, J., & Daw, N. D. (2018). Surviving threats: neural circuit and computational implications of a new taxonomy of defensive behaviour. Nature Reviews Neuroscience.

[8] Ydenberg, R. C., & Dill, L. M. (1986). The economics of fleeing from predators. In Advances in the Study of Behavior(Vol. 16, pp. 229-249). Academic Press.