Neuron：5-HT能神經(jīng)系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)動(dòng)物廣泛多樣的行為

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文獻(xiàn)精讀第29期

文章概述

血清素（Serotonin），又稱5-羥色胺（5-Hydroxy Tryptamine, 5-HT），是一種神經(jīng)調(diào)節(jié)性的神經(jīng)遞質(zhì)。5-HT主要來源于腦干中縫背核（Dorsal Raphe Nucleus, DRN），并在整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)釋放。5-HT能系統(tǒng)涉及廣泛的行為，包括獎(jiǎng)賞、懲罰、焦慮、抑郁、社交、攻擊以及學(xué)習(xí)等。5-HT能系統(tǒng)顯示了相當(dāng)大程度的分子和細(xì)胞多樣性，小鼠體內(nèi)約有9000個(gè)5-HT能神經(jīng)元，這些神經(jīng)元在生理學(xué)、神經(jīng)化學(xué)、發(fā)育軌跡和下游靶點(diǎn)等方面各不相同。中縫核幾乎向大腦的每個(gè)區(qū)域都發(fā)出了神經(jīng)投射，因此，研究這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)如何來調(diào)節(jié)這些多樣行為是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)目標(biāo)。

2022年6月13日，哥倫比亞大學(xué)的研究人員在《Neuron》雜志上發(fā)表題為“Single-cell activity and network properties of dorsal raphe nucleus serotonin neurons during emotionally salient behaviors”的文章，該研究利用微型顯微鏡觀察了DRN中5-HT能神經(jīng)元在情緒顯著刺激中的活動(dòng)和特性，證實(shí)了DRN中的5-HT能神經(jīng)元通過混合選擇高度相關(guān)的神經(jīng)集群以及有偏倚的下游連接來調(diào)節(jié)不同情緒行為。

核心觀點(diǎn)

1、DRN5-HT神經(jīng)元受到情緒顯著刺激調(diào)節(jié)；
2、DRN5-HT神經(jīng)集群具有高度相關(guān)的活性；
3、單個(gè)DRN5-HT神經(jīng)元能夠?qū)Σ煌�的情緒行為組合作出反應(yīng)；
4、投射特異性亞群中對(duì)不同情緒反應(yīng)的神經(jīng)元比例存在偏差。

研究結(jié)果分析

1. DRN5-HT神經(jīng)元在獎(jiǎng)賞行為中以神經(jīng)集群的方式被募集
為了觀察DRN5-HT神經(jīng)元在動(dòng)物自由行為期間的活動(dòng)，作者利用可視化的微型顯微鏡對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行了單光子鈣成像，以此來觀察動(dòng)物行為相關(guān)的神經(jīng)元活性。已有的研究證實(shí)，DRN5-HT神經(jīng)元在獎(jiǎng)賞過程中起作用，因此作者通過在舔舐系統(tǒng)中給予蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)來觀察DRN5-HT神經(jīng)元的活動(dòng)。小鼠在第一次舔舐之前的1~2秒內(nèi)，DRN5-HT神經(jīng)元的活動(dòng)大幅增加，這種效應(yīng)與之前測(cè)量DRN5-HT活性的實(shí)驗(yàn)一致。單個(gè)神經(jīng)元對(duì)蔗糖反應(yīng)的結(jié)果表明，這些神經(jīng)元的反應(yīng)是混合，大多數(shù)DRN5-HT神經(jīng)元（59%）對(duì)蔗糖選擇性興奮，較小部分非選擇性神經(jīng)元（34%）對(duì)蔗糖沒有達(dá)到反應(yīng)閾值，還有少部分神經(jīng)元（7%）的反應(yīng)是抑制性的。在興奮的神經(jīng)元中，大多數(shù)細(xì)胞在累積舔舐后反應(yīng)逐漸變小，預(yù)期活動(dòng)也發(fā)生了改變。并且作者還觀察到，DRN5-HT神經(jīng)元在這些行為反應(yīng)中形成了具有高度相關(guān)活性的離散集群，這些神經(jīng)集群在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是相互關(guān)聯(lián)的，而不僅僅是當(dāng)小鼠受到刺激或表現(xiàn)出一種可測(cè)量的行為時(shí)。

2. DRN5-HT神經(jīng)元能夠?qū)Σ煌�效價(jià)的味覺刺激產(chǎn)生反應(yīng)
為了確定這些有反應(yīng)的DRN5-HT神經(jīng)元是對(duì)蔗糖的特異性反應(yīng)，還是更普遍地對(duì)無論是哪種價(jià)態(tài)的情緒顯著性有反應(yīng)，作者利用味覺計(jì)來給予不同的味覺刺激物并觀察DRN5-HT神經(jīng)元的活性。結(jié)果顯示，如果神經(jīng)元對(duì)正效價(jià)刺激（蔗糖）的做出反應(yīng)，它們的反應(yīng)將與這一刺激的適口性成比例。相反，如果這些神經(jīng)元對(duì)情緒顯著性有反應(yīng)，它們對(duì)奎寧（一種苦味劑，負(fù)效價(jià)刺激）和蔗糖的反應(yīng)會(huì)比對(duì)水的反應(yīng)更強(qiáng)烈。這些神經(jīng)元中的大多數(shù)都對(duì)奎寧和蔗糖都有反應(yīng)，也有很小一部分的DRN5-HT神經(jīng)元的只對(duì)奎寧或蔗糖有反應(yīng)，突出了系統(tǒng)的異質(zhì)性。只有很少一部分的DRN5-HT神經(jīng)元（16%）對(duì)中性價(jià)態(tài)刺激（聽覺）有反應(yīng)，將這種中性的聽覺刺激與情緒顯著刺激關(guān)聯(lián)后能夠募集DRN5-HT神經(jīng)元對(duì)聽覺線索產(chǎn)生反應(yīng)。

3. DRN5-HT神經(jīng)元集群對(duì)反復(fù)的足底電擊形成適應(yīng)性的變化
接下來，作者檢測(cè)了DRN5-HT神經(jīng)元在足底電擊刺激過程中的反應(yīng)，這是一種強(qiáng)烈的負(fù)效價(jià)情緒顯著刺激。第一次電擊導(dǎo)致DRN5-HT神經(jīng)元活動(dòng)大幅增加，而對(duì)隨后兩次電擊的反應(yīng)則逐漸減少，DRN5-HT神經(jīng)元的整體反應(yīng)隨著這種厭惡刺激的重復(fù)呈現(xiàn)而下降。單細(xì)胞水平分析顯示，45%的DRN5-HT神經(jīng)元對(duì)足底電極有顯著反應(yīng)，其中46%的應(yīng)答細(xì)胞在一系列電擊中反應(yīng)大小也逐漸降低。與蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)實(shí)驗(yàn)一樣，DRN5-HT神經(jīng)元在足底電擊過程中也形成了高度相關(guān)的神經(jīng)集群，進(jìn)一步證明了這些集群的存在是DRN5-HT網(wǎng)絡(luò)在不同的行為和情緒狀態(tài)中的一般屬性。

4.DRN5-HT神經(jīng)元在高架十字迷宮探索行為中被募集
接下來，作者研究了DRN5-HT神經(jīng)元在高架高架十字迷宮和社交互動(dòng)中的活性，這是兩種復(fù)雜的情緒顯著行為。動(dòng)物在高架十字迷宮的開放臂和中心探險(xiǎn)時(shí)，其DRN5-HT神經(jīng)元的群體活動(dòng)顯著高于封閉臂；同樣，在單細(xì)胞水平上，動(dòng)物在開放臂探索時(shí)募集的DRN5-HT神經(jīng)元比在封閉臂探索時(shí)要多得多，并且這些神經(jīng)元的活動(dòng)與特定的探索行為（如頭部下探、窺視等）是正相關(guān)的。值得注意的是，動(dòng)物在開放臂停留時(shí)間、頭部下探次數(shù)、窺視次數(shù)與開放臂激活的DRN5-HT神經(jīng)元比例呈負(fù)相關(guān)。表明，那些將開放臂視為威脅的動(dòng)物，其DRN5-HT神經(jīng)元興奮水平更高。

 

5. DRN5-HT神經(jīng)元在首次社交互動(dòng)中被募集
社交互動(dòng)是另一種情緒顯著行為，為此，作者研究了單個(gè)DRN5-HT神經(jīng)元在社交互動(dòng)中是如何反應(yīng)的。雄性小鼠被放置在曠場(chǎng)中，讓它們獨(dú)自探索幾分鐘，然后引入一個(gè)新的青少年雄性小鼠，雄性小鼠與新小鼠的互動(dòng)時(shí)間在最初互動(dòng)階段是后續(xù)互動(dòng)的兩倍，其DRN5-HT系統(tǒng)是由第一次社交互動(dòng)來特異性募集的。與在高架十字迷宮探索過程類似，第一次社交互動(dòng)激活的DRN5-HT神經(jīng)元形成了高度相關(guān)的神經(jīng)集群。

6. 混合選擇的DRN5-HT神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同行為做出反應(yīng)
為了理解DRN5-HT網(wǎng)絡(luò)的邏輯，有必要確定DRN5-HT神經(jīng)元如何對(duì)多種行為做出反應(yīng)，為此，作者監(jiān)測(cè)了單個(gè)神經(jīng)元在不同行為中的反應(yīng)。結(jié)果顯示，不同行為募集的DRN5-HT神經(jīng)元之間存在著很大程度的混合選擇性和功能異質(zhì)性，大多數(shù)行為在隨機(jī)水平上募集了一個(gè)中等程度的重疊反應(yīng)的DRN5-HT神經(jīng)元，并且存在單個(gè)DRN5-HT神經(jīng)元能夠同時(shí)對(duì)蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)、足底電擊、高架迷宮以及社交互動(dòng)這些行為作出反應(yīng)的情況。因此，在情緒顯著行為中作出反應(yīng)的DRN5-HT神經(jīng)元并沒有嚴(yán)格按照行為類型、感覺形態(tài)或效價(jià)進(jìn)行細(xì)分。隨機(jī)水平重疊的例外是在高度厭惡（足底電擊）和高度食欲（蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)）行為之間的極端比較，其重疊水平為19%，低于隨機(jī)預(yù)期。這些結(jié)果同樣強(qiáng)調(diào)了DRN5-HT神經(jīng)元在多種行為反應(yīng)之間的重疊，足底電擊和蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)極端比較的區(qū)別，以及DRN5-HT群體的高度異質(zhì)性。

 

7. DRN中投射到VTA和BNST的神經(jīng)元異質(zhì)且功能偏倚
DRN5-HT神經(jīng)元通過其廣泛的神經(jīng)投射來發(fā)揮作用。接下來，作者研究了DRN中的特異性投射神經(jīng)元是否基于對(duì)應(yīng)的神經(jīng)集群，或者是否更加異質(zhì)。作者選擇了DRN到終紋床核（Bed Nucleus of the Stria Terminalis, BNST）和DRN到腹側(cè)被蓋區(qū)（Ventral Tegmental Area, VTA）的兩個(gè)強(qiáng)神經(jīng)投射進(jìn)行研究，一個(gè)與焦慮有關(guān)，一個(gè)與獎(jiǎng)賞行為有關(guān)。環(huán)路示蹤結(jié)果顯示，DRN中投射到BNST和投射到VTA的神經(jīng)元在解剖學(xué)上并不重疊，且這些特異性投射到某個(gè)區(qū)域的DRN5-HT神經(jīng)元的相關(guān)程度并不相同，與DRN5-HT群體整體相似。這表明，在DRN5-HT網(wǎng)絡(luò)中，解剖學(xué)上不同的投射本身是異質(zhì)的。然后，作者通過確定每個(gè)投射對(duì)不同情緒行為的反應(yīng)來表征這種異質(zhì)性的性質(zhì)。作者發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)投射包含的DRN5-HT神經(jīng)元對(duì)測(cè)試的各種情緒行為都有反應(yīng)，然而，它們對(duì)每種行為做出反應(yīng)的細(xì)胞的相對(duì)比例是有偏差的。這些亞群的組成是互補(bǔ)的，并且與VTA和BNST在行為中的作用是一致的。向VTA的投射對(duì)蔗糖獎(jiǎng)勵(lì)反應(yīng)更強(qiáng)，而向BNST的投射對(duì)高架十字迷宮中頭部下探、足底電擊和第一次社交互動(dòng)反應(yīng)更強(qiáng)。

總結(jié)

該研究通過對(duì)動(dòng)物在獎(jiǎng)賞、懲罰、焦慮抑郁、社交等情緒顯著行為期間的2000多個(gè)5-HT能神經(jīng)元進(jìn)行成像，揭示了DRN5-HT系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵原則。DRN 5-HT神經(jīng)元很大一部分受到情緒顯著調(diào)節(jié)。與中性刺激相比，更多的神經(jīng)元對(duì)情緒顯著刺激作出反應(yīng)，活動(dòng)規(guī)模具有相對(duì)顯著性。在網(wǎng)絡(luò)層面，離散的集群在長(zhǎng)時(shí)間尺度上高度相關(guān)。單個(gè)細(xì)胞能夠?qū)�個(gè)體刺激的不同組合作出反應(yīng)，并受到效價(jià)和感覺形態(tài)的一些限制。

研究方法亮點(diǎn)

這項(xiàng)工作闡述了DRN中的5-HT能神經(jīng)元對(duì)不同情緒顯著行為反應(yīng)的作用機(jī)制。該研究用到了在體可視化鈣成像、行為學(xué)評(píng)估、腦立體定位注射以及免疫組化等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。瑞沃德深耕生命科學(xué)研究領(lǐng)域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)，可提供該研究中涉及的在體可視化鈣成像、行為學(xué)評(píng)估、腦立體定位注射以及免疫組化等實(shí)驗(yàn)的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外 100 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，客戶涵蓋全 球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全 球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認(rèn)可。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.05.015