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Nat Neuro最新!冷泉港实验室李波团队发现杏仁核惩罚和奖赏行为的新环路机制

已有 2930 次阅读 2021-10-19 11:45 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年10月18日晚23时,Nature Neuroscience在线发表了美国冷泉港实验室李波研究组关于大脑调控情感记忆及学习行为的新工作。


该工作阐明了杏仁核到腹侧纹状体的两条神经环路在调控惩罚和奖赏行为以及相关学习中的重要作用。张县博士为该文章第一作者及共同通讯作者。


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杏仁核是大脑边缘系统的皮质下中枢,在进化上是一个高度保守的脑区,主要负责处理情感,动机等以及与之相关的各种行为。杏仁核功能的异常与很多心理和精神疾病密切相关,包括应激反应,焦虑,抑郁症等等。杏仁核在结构上包括基底外侧核和中央核,其中基底外侧核由于在细胞类型和发育上类似于大脑皮层,是近些年神经生物学领域的一个研究热点。

 

基底外侧杏仁核中的神经元如何编码惩罚和奖赏刺激以及如何调控惩罚和奖赏相关的学习记忆在最近十几年内吸引了众多神经科学家的目光。冷泉港实验室李波研究组的张县博士在2018年在Nature Communications上发表的论文通过钙离子信号成像的方法实时检测该脑区神经元的活动,发现条件学习(conditional learning)后基底外侧核的神经元在群体上呈现出神经活动被抑制的现象。这一发现改变了传统理论上认为的条件学习后神经元反应会增强的观点。作者通过群体编码分析进一步发现条件学习后神经元的噪音相关性(noise correlation)显著降低,表明条件学习后基底外侧核的群体神经元通过抑制众多不相关神经元的活动提高信噪比,进而让直接相关的神经元能更精准的编码信息。那么怎么才能找到这些直接编码情感相关的神经元并且通过激活/抑制这些神经元来观察动物的行为呢?

 

通过与冷泉港实验室著名神经生物学家Z. Josh Huang教授 (黄佐石)合作,张县博士在李波教授的指导下对基底外侧杏仁核表达Fezf2基因的神经元进行了系统性的研究,包括在体单光子钙信号成像,光遗传学,化学遗传学,生理反应检测以及各种行为学方法等手段,发现了分别编码奖赏和惩罚的神经元及其下游神经环路。


Fezf2基因是一段高度保守的基因片段,它编码的转录因子对于兴奋性神经元的发育至关重要。作者首先利用在体单光子钙信号成像技术对于基底外侧杏仁核表达Fezf2基因的神经元进行实时成像,发现这些神经元分为两个大类:一类编码奖赏刺激,另一类编码惩罚刺激。接下来对实验小鼠进行条件学习训练后,发现有更多的神经元参与到条件刺激的编码。

 

作者然后追踪了这两类神经元的上游和下游神经环路,发现不同的上下游脑区参与到不同的情感信息的编码。最值得关注的是基底外侧杏仁核(BLA)到腹侧纹状体的两条神经通路,分别为:基底外侧杏仁核—伏隔核(BLA-NAc), 基底外侧杏仁核—嗅结节(BLA-OT)。伏隔核和嗅结节作为腹侧纹状体的两个亚区,传统上一直被认为是情感反应和行为活动的一个中继站。BLA-NAc的神经通路的功能在以往的文献报道中一直存在争议,BLA-OT的环路功能则从来没有被报道过。


 

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图:编码惩罚(红色)和奖赏(绿色)的杏仁基底外侧核神经元。这两类神经元分别投射到伏隔核和嗅结节。


光遗传的实验结果表明,激活BLA-NAc和BLA-OT通路使动物分别表现出逃避惩罚和追求奖赏的行为,同时又都伴随着明显的瞳孔放大。这种行为和生理反应结合起来暗示了这两个通路应该对情感学习也有很重要的作用。为了验证这个假设,作者使用了光遗传学和化学遗传学的方法抑制了这两个通路的神经活动,发现抑制后分别干扰了惩罚学习和奖赏学习。

 

这一研究为基底外侧杏仁核及其下游神经环路的功能提供了新的认识,为揭示基底外侧杏仁核特定类型的神经元对情绪反应的调控机理提供了重要的数据支持,为基底外侧杏仁核损伤和退化导致的相关精神疾病提供了新的线索。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41593-021-00927-0




https://wap.sciencenet.cn/blog-3423233-1308527.html

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