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脳科学で言えば、脳内の神経伝達物質の状態やバランスによって心の状態が左右されるので、それによって寂しさを感じるようになっています。

人間の脳の寂しさを司るものは
・遺伝的に織り込まれている寂しさ
・経験した記憶
・脳の神経細胞の健康状態
この３つになり、寂しさを感じて胸が痛くなったり涙が出てしまうのは、感情が身体的な痛みを感じた時の脳の反応と部位を共有しているためです。

例えば、一例を出すと
ギャバ： リラックス物質
ドーパミン： 快楽とやる気の物質
ノルアドレナリン： 快感とやる気の物質
アドレナリン： 快感とやる気の物質
エンドルフィン： 天上の喜び
セロトニン： 幸福物質
メラトニン： 同調物質

などの脳内伝達物質により、脳は寂しさを感じたり感じなかったりする仕組みになっていて、好きな人と一緒にいる時、脳は上記の物質をバランスよくコントロールします。
恋愛中の人の脳内は、セロトニンの分泌量が少なく、ドーパミンやノルエピネフリンが多く分泌されます。ドーパミンやノルエピネフリンが多く分泌されると、胸が高鳴ったり性的興奮を覚えたりして、高揚感を得て幸せを感じやすくなります。
これは、遺伝子が子孫をのこすための行為をさせるために、性的興奮をさせる必要のあるドーパミンやノルエピネフリンにを多くだすために、単純に幸福感を感じるセロトニンを抑えることによって、ドーパミンやノルエピネフリンの作用が強くなり、それら作用はセロトニン同様以上の幸福感も得られるために、そのような仕組みになっています。
また、オキシトシンという物質も多く分泌されます。
オキシトシンは人との繋がりや絆を生み、それらを深める役割を担った神経伝達物質で、これこそが寂しさの原因となるものです。
この物質が多く分泌されれば、一緒にいたいと強く思うようになり、これが人間の恋愛の仕組みに直接関与します。この分泌期間には寿命があり、それが人間の恋愛の寿命となる言われている。
　好きな人と離れたりするとそれらの伝達物質のバランスが崩れる、または分泌の増減によって、寂しいという感情が芽生えるようになります。
また、好きな人を想い描くとそれらの物質は脳に快感をあたえ、一時の至福感を感じますが、実際に好きな人がそばにいなくて、現実を見た時に、これらの脳内伝達物質は遮断または増減しますので、そこでまた脳は寂しさを感じることになります。


これが脳の基本的な状態であり、これにプラスして経験上の記憶、遺伝子に織り込まれている傾向が総合的に人間の感情を形成することになります。

ヒトの場合、スキンシップによりオキシトシンを分泌させることができる
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