【原】BLA-vmPFC在替代恐懼中的神經(jīng)環(huán)路

腦聲常談 2023-07-31 發(fā)布于上海

展開(kāi)全文

上海欣軟《動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》正在免費(fèi)包郵發(fā)放中，《動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)指南》是前者的進(jìn)階篇,，全書(shū)預(yù)計(jì)600頁(yè)+,，內(nèi)容更加詳實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)，印書(shū)版預(yù)計(jì)9月份完成,，獲取方式請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)：腦聲常談的后續(xù)通知,。

2023年7月3日日本東京大學(xué)定量生物科學(xué)研究所行為神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Teruhiro Okuyama研究團(tuán)隊(duì)在Nature communications發(fā)表論文“Ventromedial prefrontal neurons represent self-states shaped by vicarious fear in male mice”,，揭示了腹內(nèi)側(cè)前額葉神經(jīng)元代表了雄性小鼠中由替代性恐懼形成的自我狀態(tài),。

由危險(xiǎn)引起的恐懼感知會(huì)引起復(fù)雜的替代恐懼反應(yīng)和行為輸出，在嚙齒類(lèi)動(dòng)物中,，觀察同種動(dòng)物受到厭惡的刺激會(huì)導(dǎo)致逃跑和僵直行為,。目前還不清楚這些恐懼中對(duì)他人的行為自我狀態(tài)是如何在神經(jīng)生理學(xué)上表現(xiàn)出來(lái)的。在這里,，作者評(píng)估了在雄性小鼠的觀察性恐懼范式（OF）中,，腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層的這種表征。使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)觀察者小鼠在觀察恐懼范式過(guò)程中的刻板行為進(jìn)行分類(lèi),。對(duì)vmPFC的光遺傳抑制特異性地破壞了OF誘導(dǎo)的逃逸行為,。在體內(nèi)鈣成像顯示，vmPFC神經(jīng)群體代表了其他狀態(tài)和自我狀態(tài)的混合信息,。不同的亞群被恐懼反應(yīng)激活和抑制,，同時(shí)代表著自我活躍的狀態(tài)。這種混合選擇性需要來(lái)自前扣帶皮層和基底外側(cè)杏仁核的輸入來(lái)調(diào)節(jié)OF誘導(dǎo)的逃避行為,。

圖一使用回合任務(wù)自動(dòng)行為分類(lèi)

在嚙齒類(lèi)動(dòng)物的OF任務(wù)中,，動(dòng)物表現(xiàn)出強(qiáng)烈的僵直行為，通常被用來(lái)研究替代恐懼反應(yīng)背后的神經(jīng)機(jī)制,。在作者的行為范式中,，一個(gè)演示者動(dòng)物和一個(gè)觀察者動(dòng)物在環(huán)境中自由移動(dòng)5 min，然后演示者每10秒接受一次2秒的沖擊,，持續(xù)10 min,。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察者表現(xiàn)出看似不同的行為,，在條件反射期間有高水平的僵直,。在這項(xiàng)研究中，利用一系列的無(wú)監(jiān)督分析,，將觀察者的行為分類(lèi)為離散的模式,，以揭示不同的和刻板的行為的混合行為,。首先，為了提取姿勢(shì)動(dòng)力學(xué)的低維時(shí)間序列表示,，使用無(wú)標(biāo)記跟蹤方法在記錄中定義并提取了觀察者的頭部,、軀干和肢體上的13個(gè)身體點(diǎn)，總共產(chǎn)生了8個(gè)集群代表不同的行為模式,。作者對(duì)每個(gè)行為群進(jìn)行了注釋?zhuān)鹤笠苿?dòng),，右移動(dòng)，后移動(dòng),，前,，左，右,，靠近演示,，遠(yuǎn)離演示。以上結(jié)果表明,，對(duì)于所有的行為集群,，只有前一個(gè)回合才能預(yù)測(cè)下一個(gè)回合。因此,，對(duì)兩個(gè)連續(xù)的回合進(jìn)行了序列分析,。在調(diào)節(jié)期間，只有重復(fù)同一行為集群顯著,，且這些顯著的重復(fù)與個(gè)體的習(xí)慣期相比增加,。

圖二使用2秒回合的OF任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)行為分類(lèi)

作者使用更短的2秒發(fā)作來(lái)進(jìn)一步分離替代的恐懼反應(yīng)，當(dāng)小鼠不斷移動(dòng)和停止時(shí),，在2秒的僵直中設(shè)置了50%的閾值,，將回合分為可移動(dòng)和不移動(dòng)。然后進(jìn)行無(wú)監(jiān)督分類(lèi),，為每個(gè)數(shù)據(jù)集獲得9個(gè)組件,。在所有的成分中，從移動(dòng)數(shù)據(jù)集中提取了三個(gè)特征成分,，即接近,、離開(kāi)和移動(dòng)接近D；與其他移動(dòng)組件相比,，m1和m2的僵直率顯著降低,。在比較習(xí)慣期和條件作用期間，移動(dòng)成分比例下降,，而固定成分比例增加

圖三 OF任務(wù)中vmPFC的光遺傳抑制

為了探究vmPFC在OF中的功能,，作者運(yùn)用光遺傳沉默了vmPFC的興奮性神經(jīng)元活動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在條件反射期間的vmPFC抑制并不影響小鼠僵直速率,。仔細(xì)觀察行為模式,，表現(xiàn)出從演示者小鼠開(kāi)始的逃逸行為重復(fù)減少,，與抑制組中行為集群VIII的比例較低，但在對(duì)照組中沒(méi)有,。與對(duì)照組相比,，抑制組“逃逸”的比例明顯減少，i2 + i3“凝視”明顯更大,。OF期間的vmPFC抑制擾亂了逃避威脅的行為,，但不會(huì)擾亂情緒傳染引起的僵直行為本身。

圖四 vmPFC中的行為集群和僵直編碼

在OF任務(wù)中,，作者利用鈣成像揭示vmPFC神經(jīng)元的體內(nèi)生理特性,，被記錄的小鼠的行為模式是在與光遺傳抑制實(shí)驗(yàn)相同，然后得到每只小鼠的行為序列,。在這八種行為模式中顯示出每一種行為模式的小鼠中被激活,，vmPFC神經(jīng)元顯示出明顯的升高,。因此,，作者發(fā)現(xiàn)有11.5%的細(xì)胞在單個(gè)集群中被顯著激活。接下來(lái),，要檢測(cè)神經(jīng)種群是否作為一個(gè)整體在vmPFC代表了行為模式,，作者使用解碼器分解基于vmPFC模式的八種類(lèi)型集群中的味覺(jué)探究每只小鼠的種群活動(dòng)。作者進(jìn)一步研究了2-s的行為成分信息在vmPFC中進(jìn)行編碼,，結(jié)果顯示了vmPFC抑制率分別顯著降低,。以上結(jié)果表明，vmPFC種群在神經(jīng)生理學(xué)上是多方面的,，代表了自我的行為狀態(tài),，包括逃避和僵直行為，這是由OF所誘導(dǎo)的

圖五 vmPFC中的自僵直編碼

接下來(lái),，作者研究了vmPFC神經(jīng)表征自我狀態(tài)與其他狀態(tài)關(guān)聯(lián),，即其他沖擊信息感官模式，包括視覺(jué)和聲音,，觀察到觀察者在每個(gè)沖擊頻率期間的行為變化的周期性特征,，在沖擊時(shí)間時(shí)，僵直速率明顯較低,，盡管沿x軸的平均運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有時(shí)間特征,，因此，研究其他休克的影響對(duì)vmPFC神經(jīng)元活動(dòng)的反應(yīng),，首先比較了每個(gè)神經(jīng)元在休克時(shí)刻之前和休克期間的反應(yīng)之間的活動(dòng)差異,。記錄的355個(gè)神經(jīng)元中有15個(gè)為休克激活神經(jīng)元，355個(gè)神經(jīng)元中有28個(gè)為休克抑制神經(jīng)元,。在習(xí)慣期,，休克激活和休克抑制的神經(jīng)元都沒(méi)有每10秒出現(xiàn)周期性的鈣瞬變,，這表明休克發(fā)作時(shí)的活動(dòng)改變是由OF引起的。在神經(jīng)元活動(dòng)和凍結(jié)率之間的廣泛相關(guān)性中,，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分的神經(jīng)元與觀察者的凍結(jié)呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān),。與基線(xiàn)相比，僵直正相關(guān)或負(fù)相關(guān)神經(jīng)元在休克時(shí)刻表現(xiàn)出明顯的鈣瞬變被抑制或激活,，而在過(guò)去10 min中,，在無(wú)休克對(duì)照組中沒(méi)有觀察到這些變化。與觀察者的僵直率呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的神經(jīng)元與非休克狀態(tài)呈顯著的負(fù)相關(guān)或正相關(guān),。而休克激活的神經(jīng)元與僵直率呈顯著負(fù)相關(guān),，而休克抑制的神經(jīng)元與僵直率呈正相關(guān)。雖然休克反應(yīng)神經(jīng)元和凍結(jié)相關(guān)神經(jīng)元之間存在一些重疊,，但并非所有神經(jīng)元都表現(xiàn)出這兩種表征,。綜上所述，關(guān)于其他休克和自我激活的信息在vmPFC中通過(guò)兩個(gè)不同的神經(jīng)元亞群來(lái)表達(dá)：僵直陽(yáng)性/休克抑制神經(jīng)元和僵直陰性/休克激活神經(jīng)元,。

圖六由ACC-vmPFC和BLA-vmPFC輸入衍生的其他沖擊

有研究表明,，替代性恐懼的獲得和隨后的僵直行為的表達(dá)高度依賴(lài)于ACC和BLA的神經(jīng)活動(dòng)?？紤]到vmPFC神經(jīng)元同時(shí)接收來(lái)自前扣帶皮層和BLA的直接神經(jīng)投射,，作者推測(cè)vmPFC是否通過(guò)這些大腦區(qū)域的投射接收到與相關(guān)的其他休克或自我識(shí)別信息。作者通過(guò)病毒注射抑制ACC或BLA的輸入,，對(duì)于ACC-vmPFC抑制,，作者鑒定了其他休克反應(yīng)神經(jīng)元和自我僵直相關(guān)神經(jīng)元。休克激活神經(jīng)元的僵直相關(guān)性沒(méi)有顯著差異,，而休克抑制神經(jīng)元的僵直相關(guān)性保持陽(yáng)性,。僵直負(fù)相關(guān)神經(jīng)元與是否休克狀態(tài)沒(méi)有顯著正相關(guān)，而僵直正相關(guān)神經(jīng)元與是否休克狀態(tài)保持負(fù)相關(guān),。在休克時(shí)刻,，僵直負(fù)相關(guān)神經(jīng)元的鈣瞬態(tài)沒(méi)有增加，而正相關(guān)神經(jīng)元的鈣瞬態(tài)減少保持不變,。此外,，對(duì)BLA-vmPFC抑制小鼠也發(fā)現(xiàn)了一種明顯的效應(yīng)模式。休克激活神經(jīng)元與僵直率呈負(fù)相關(guān),，相反,，僵直正相關(guān)神經(jīng)元與是否休克狀態(tài)沒(méi)有顯著負(fù)相關(guān)。僵直正相關(guān)神經(jīng)元在休克時(shí)刻的抑制反應(yīng)和負(fù)相關(guān)神經(jīng)元的激活反應(yīng)仍被檢測(cè)到,，可能是由于vmPFC的單側(cè)部分抑制,。綜上所述， ACC-vmPFC和BLA-vmPFC回路在連接其他休克和自我僵直的神經(jīng)表征中都發(fā)揮了重要作用,。ACC-vmPFC和BLA-vmPFC具有相反的功能,；前者參與了僵直負(fù)/休克激活神經(jīng)元的活動(dòng),，后者參與了僵直正/休克抑制神經(jīng)元，表明兩種不同的通路協(xié)同處理基于其他狀態(tài)的神經(jīng)表征自我狀態(tài),。

圖七 ACC-vmPFC和BLA-vmPFC環(huán)路的光遺傳抑制

為了進(jìn)一步研究ACC-vmPFC和BLA-vmPFC通路是否也促進(jìn)了OF過(guò)程中的行為輸出,，特別是vmPFC功能的逃逸行為，作者對(duì)每個(gè)通路進(jìn)行了光遺傳抑制,，并探究兩種情況下的僵直速率均沒(méi)有變化,。與對(duì)照組相比，抑制組的i1“逃逸”比例更大,，i2 + i3“凝視”比例更小,，但這些差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。作者嚴(yán)格量化了逃避行為,，通過(guò)計(jì)算每只小鼠在近側(cè)或遠(yuǎn)側(cè)比習(xí)慣期的時(shí)間,。結(jié)果表明，vmPFC中的兩個(gè)不同的神經(jīng)亞群都調(diào)節(jié)了OF過(guò)程中的逃逸行為,。

BLA-mPFC回路在自我恐懼反應(yīng)中的重要作用已使用恐懼調(diào)節(jié)范式進(jìn)行了廣泛研究,。vmPFC的PL與持續(xù)的恐懼表達(dá)和對(duì)恐懼記憶消退的抵抗有關(guān)，而IL 在恐懼消退中起著核心作用,。BLA中的基底杏仁核是PL和IL的恐懼相關(guān)輸入的主要來(lái)源,。另一項(xiàng)光遺傳學(xué)研究表明，BLA-vmPFC促進(jìn)焦慮行為并減少社交互動(dòng),。該研究表明BLA-vmPFC在替代恐懼反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，揭示了vmPFC在由他人狀態(tài)塑造的自我狀態(tài)的神經(jīng)表征中的作用,。