【原】Nature子刊：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)懲罰聯(lián)想學(xué)習(xí)的相關(guān)機(jī)制

腦聲常談 2023-07-15 發(fā)布于上海

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2022-12-04

2023年7月6日洛桑大學(xué)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)系Manuel Mameli團(tuán)隊(duì)在Nature子刊Molecular Psychiatry發(fā)表論文“Plasticity of neuronal dynamics in the lateral habenula for cue-punishment associative learning”，揭示了外側(cè)韁核神經(jīng)元動力學(xué)的可塑性對提示懲罰聯(lián)想學(xué)習(xí)的影響。

大腦將威脅與外部刺激聯(lián)系起來的能力對于執(zhí)行包括回避在內(nèi)的基本行為至關(guān)重要。這一過程的中斷反而會導(dǎo)致病理特征的出現(xiàn)，這在成癮和抑郁癥中很常見。然而，聯(lián)想學(xué)習(xí)編碼所依賴的單細(xì)胞機(jī)制和神經(jīng)動力學(xué)仍然難以解釋。在這里，作者利用小鼠的巴甫洛夫辨別任務(wù)研究了外側(cè)韁核（LHb）中的神經(jīng)元群是如何編碼條件刺激和懲罰（非條件刺激）之間的關(guān)聯(lián)的。LHb的大群單細(xì)胞記錄顯示了對厭惡刺激的興奮性和抑制性反應(yīng)。此外，局部光學(xué)抑制阻止了聯(lián)想學(xué)習(xí)過程中線索辨別的形成，證明了LHb活動在這一過程中的關(guān)鍵作用。縱向體內(nèi)雙光子成像追蹤LHb鈣神經(jīng)元在條件反射過程中的動態(tài)發(fā)現(xiàn)了單個神經(jīng)元的CS誘發(fā)反應(yīng)的上移或下移。該研究表明LHb中突觸前和突觸后機(jī)制的融合是支持學(xué)習(xí)過程中線索辨別的有價值信號中中性線索轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

圖一 LHb神經(jīng)元對足部沖擊可表現(xiàn)出興奮或抑制反應(yīng)

通過對麻醉小鼠神經(jīng)元活動的記錄和纖維光度法對大量鈣（Ca2+）信號的分析，懲罰產(chǎn)生了LHb神經(jīng)元的興奮，LHb通過其興奮編碼厭惡。最近的工作表明，單個LHb神經(jīng)元對厭惡刺激的反應(yīng)特性可能更加異質(zhì)性。為了系統(tǒng)地探討這種可能性，對麻醉小鼠的單個LHb神經(jīng)元進(jìn)行了記錄，同時給予足部電擊刺激，發(fā)現(xiàn)足部沖擊刺激導(dǎo)致大多數(shù)LHb神經(jīng)元的尖峰活動快速增加。這些興奮反應(yīng)的動力學(xué)是異質(zhì)性的，可能是由于不同的離子傳導(dǎo)或LHb細(xì)胞的突觸輸入組織。除了足部沖擊興奮的群體外，LHb細(xì)胞的一個獨(dú)特亞群反而受到刺激的顯著抑制。為了探索足突反應(yīng)是否與體內(nèi)LHb神經(jīng)元的發(fā)射模式有關(guān)，使用隨機(jī)鄰接嵌入法，在二維空間中可視化神經(jīng)元。將足部沖擊反應(yīng)映射到tSNE嵌入上（該嵌入僅基于自發(fā)尖峰特征創(chuàng)建），發(fā)現(xiàn)足部沖擊調(diào)制和自發(fā)發(fā)射率呈負(fù)相關(guān)。

圖二 LHb完整性對于巴甫洛夫條件反射過程中的線索辨別是必要的

為了了解LHb活動與懲罰相關(guān)的功能多樣性特征在清醒和行為中是否成立，以單細(xì)胞分辨率研究神經(jīng)元動態(tài)，訓(xùn)練小鼠將一個條件聽覺刺激（CS刺激（CS+）而不是另一種刺激（CS-）與指向眼部的氣泡聯(lián)系起來。在對聽覺線索進(jìn)行兩次習(xí)慣化訓(xùn)練和兩次條件反射訓(xùn)練后提示和兩次條件反射（其中只有CS+是的條件反射后，小鼠僅對CS+表現(xiàn)出預(yù)期的眼動，表明CS-US關(guān)聯(lián)。分析小鼠在CS過程中的眼球區(qū)域，以計算辨別得分，與習(xí)慣化相比，調(diào)理后的分辨能力明顯提高。接下來通過光學(xué)方法降低LHb的活性來探究LHb在聯(lián)想學(xué)習(xí)過程中對線索辨別的必要性。病毒注射4周后在麻醉小鼠中使用單個單元記錄評估了LHb神經(jīng)元的基礎(chǔ)活動。小鼠LHb神經(jīng)元的基礎(chǔ)發(fā)射率降低，結(jié)果表明LHb在建立聯(lián)想學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的行為線索辨別中發(fā)揮著重要作用。

圖三單神經(jīng)元抑制和興奮反應(yīng)在聯(lián)想學(xué)習(xí)過程中適應(yīng)

作者植入了一個顯微內(nèi)窺鏡透鏡，通過配備20倍空氣物鏡的雙光子顯微鏡對LHb進(jìn)行光學(xué)觀察。大多數(shù)表達(dá) GCaMP6f的LHb神經(jīng)元群是谷氨酸能的，而不是GABA能的。記錄了每只小鼠多個視場(FOV)中表達(dá)GCaMP6f 的LHb神經(jīng)元，計算了線索驅(qū)動的神經(jīng)元反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)雖然一組LHb神經(jīng)元的熒光顯著增加，但與習(xí)慣化相比，在條件反射期間呈現(xiàn)懲罰預(yù)測線索后，不同的神經(jīng)元整體表現(xiàn)出熒光減少。條件反射之前CS+驅(qū)動的神經(jīng)元反應(yīng)可能是由于刺激的顯著性而不是聽覺線索的內(nèi)在厭惡成分。小鼠在實(shí)時地點(diǎn)范式測試中并沒有表現(xiàn)出回避。CS+反應(yīng)神經(jīng)元也通過吹氣向相同方向調(diào)整，在CS+和CS–呈現(xiàn)過程中熒光信號的跟蹤和量化表明了調(diào)節(jié)后的可塑性。在適應(yīng)條件作用的整個過程中，121/339個神經(jīng)元顯示出與CS+時間鎖定的Ca2+介導(dǎo)的熒光增加，而47/339個神經(jīng)元顯示出與CS+的熒光顯著減少。不同的LHb神經(jīng)元群體增強(qiáng)了現(xiàn)有的興奮性或抑制性反應(yīng)，并對學(xué)習(xí)過程中的懲罰預(yù)測線索產(chǎn)生了新的興奮性或抑制性反應(yīng)。

圖四 LHb中的突觸前乙酰膽堿釋放反映了線索辨別

神經(jīng)調(diào)節(jié)劑包括血清素和乙酰膽堿，能夠調(diào)節(jié)突觸功能并促進(jìn)動機(jī)行為。在提示懲罰巴甫洛夫條件作用期間，雖然谷氨酸和GABA釋放保持穩(wěn)定，但神經(jīng)調(diào)節(jié)反而會適應(yīng)并匹配突觸后反應(yīng)，這可能代表了可塑性和學(xué)習(xí)的門控機(jī)制。為了測試這種可能性，作者在巴甫洛夫判別任務(wù)中利用了基于熒光強(qiáng)度的基因編碼傳感器與光纖光度測量在頭部固定小鼠中探究。基因編碼傳感器 iGluSnFR可檢測谷氨酸釋放，iGABASnFR2可檢測GABA釋放，而GRAB5-HT2h和GRABACh3.0可測量血清素和乙酰膽堿學(xué)習(xí)后LHb內(nèi)的突觸適應(yīng)依賴于突觸后機(jī)制，包括AMPA或GABA受體運(yùn)輸/效率，而不是谷氨酸或GABA釋放的變化。通過在LHb中注射病毒，在獨(dú)立的一組小鼠中表達(dá)了每個傳感器。出現(xiàn)意外的吹氣或中性聽覺提示會產(chǎn)生快速的谷氨酸、GABA、血清素和乙酰膽堿瞬變。在調(diào)節(jié)過程中，iGluSnFR、iGABASnFR2和GRAB5-HT2h介導(dǎo)的熒光瞬變在CS+和CS–之間保持可比。與CS-相比，學(xué)習(xí)CS+后ACh瞬變顯著增加。這表明在巴甫洛夫調(diào)節(jié)過程中，LHb中CS+驅(qū)動的興奮性和抑制性反應(yīng)的突觸后適應(yīng)是與突觸前膽堿能信號傳導(dǎo)的增加一起發(fā)生的，但谷氨酸、GABA 和血清素傳遞則不是。

總之，該研究結(jié)果揭示了LHb的功能多樣性、可塑性事件和神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，這些機(jī)制有助于聯(lián)想學(xué)習(xí)、線索懲罰關(guān)聯(lián)和線索辨別：進(jìn)一步支持LHb與價編碼的相關(guān)性。對即將到來的懲罰的預(yù)期依賴于興奮和抑制性的LHb神經(jīng)元群，且它們在協(xié)調(diào)學(xué)習(xí)中發(fā)揮協(xié)同作用。