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危险靠近时,脑干如何参与一次奔逃?

eLife · 2023-03-17

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eLife · 研究前沿

危险靠近时,脑干如何参与一次奔逃?

转身、奔跑、钻进藏身处,防御反应怎样在脑内接上线?雄性小鼠研究发现,脑干中带有CCK标记的一群细胞,通过下丘脑PVN参与逃向巢穴的行为。

原论文图3C局部:LPB中CCK标记相关细胞的荧光视野

发现危险后,小鼠可能先靠近探查,接着突然转身,奔向藏身处。短短几秒钟里,感觉线索怎样变成行动?2023年3月17日发表于 eLife 的研究,在雄性小鼠中找到一条从脑桥外侧臂旁区LPB通往下丘脑室旁核PVN的兴奋性联系。LPB中带有胆囊收缩素CCK标记的细胞,在多种威胁线索下活动增强,尤其与逃跑启动时刻相关。激活相关细胞或其在PVN的末梢,能够引出回巢躲藏;降低细胞活动,则改变动物面对威胁时的回避与归巢反应。脑干的感觉处理,由此与下丘脑的防御参与连接起来。

关键发现

LPB的CCK标记细胞与PVN形成直接兴奋性联系,参与威胁相关回避和回巢。PVN局部细胞活动及谷氨酸受体信号,为末梢激活引发的行为提供支持;相应CCK受体阻断未显著改变所测行为。

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CCK标记的一群细胞,向下丘脑送出兴奋信号

研究先从投射分布寻找线索,发现LPB的CCK标记细胞能把轴突送到PVN。细胞电反应进一步支持直接兴奋性连接:相关末梢能够诱发PVN细胞的兴奋性电流,谷氨酸受体阻断会压低这一反应。形态与功能两条证据因此接在了一起。

带有CCK标记,不意味着行为效应一定由CCK这种肽直接承担。这群细胞大多也带有谷氨酸能标记,并且还投射到PVN以外的多个脑区。细胞身份、释放信号与具体输出,接下来需要分别观察。

原论文图 1LPB与PVN之间的连接
LPB与PVN之间的连接
图1提供投射分布及PVN细胞兴奋性电流证据,支持LPB的CCK相关群体与PVN形成直接兴奋性联系。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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激活这群细胞,小鼠迅速转向巢穴

在空间选择中,激活LPB的CCK标记细胞,让小鼠减少停留在刺激相伴区域,转而离开。场地提供巢穴时,小鼠更快抵达,奔跑速度提高,随后在巢穴中停留更久。这些变化把相关活动与主动回避、寻找藏身处联系起来。

身体状态也随着行为变化:心率升高、瞳孔扩大,血浆皮质酮增加。行为与生理指标共同呈现出防御相关状态,但它们并没有直接测量小鼠的主观恐惧体验,也不能把所有防御反应都归到同一群细胞。

原论文图 2细胞激活后的回避、归巢与生理变化
细胞激活后的回避、归巢与生理变化
图2显示刺激相伴区域的回避、回巢加快与躲藏增加,并伴随心率、瞳孔及皮质酮变化。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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逃跑尚未开始,活动已经逐渐抬升

面对真实大鼠时,小鼠靠近探查,相关群体钙信号逐渐增强,在转身逃离附近达到高点;距离危险更远时,信号回落。面对上方逐渐扩大的阴影,活动也在逃跑启动附近增强,进入巢穴后下降。

不同威胁线索因此能招募同一标记群体。群体钙信号把活动时序与动作联系起来,却没有说明每个细胞都只编码威胁;这一脑干区域也参与其他感觉和身体状态处理,单细胞之间可能还有进一步分工。

原论文图 3威胁线索、钙信号与逃跑启动
威胁线索、钙信号与逃跑启动
图3显示面对大鼠和扩展阴影时的活动时序。不同威胁类型之间的群体幅度差异未达显著。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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对危险区域的回避减少,归巢也变慢

降低LPB的CCK标记细胞活动后,小鼠在大鼠附近区域停留更多、进入次数增加,总移动距离未显著改变。在阴影威胁条件下,它们回到巢穴所需时间延长,之后的躲藏时间减少。

这些表现说明,相关细胞参与适当的威胁回避与归巢反应,而不是简单决定动物能否运动。它们的活动既与自然威胁相伴,降低后又影响行为,让研究从记录到的相关性,进一步走向功能参与。

原论文图 4细胞抑制后的威胁相关行为
细胞抑制后的威胁相关行为
图4显示危险区域停留和进入增加,总距离未显著变化;阴影条件下回巢变慢、巢内停留减少。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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只激活PVN中的末梢,也能引出归巢

把活动增强限定在PVN中的相关轴突末梢,小鼠同样更快奔向巢穴、速度增加,之后躲藏更久。PVN的活动标记也增加,心率和血浆皮质酮升高,说明这一输出能够招募行为与身体状态的部分变化。

有趣的是,这一次瞳孔大小没有显著改变,与细胞胞体激活时的结果不同。LPB细胞通向多个脑区,同一群体的不同输出可能分别承担身体响应的一部分;末梢比较没有把全部生理变化重新复制一遍。

PVN常因神经内分泌和自主调节而受到关注。这里出现的快速归巢行为,将它的作用进一步联系到主动防御:一个与身体状态密切相连的核团,也能够参与面向环境的行动。

原论文图 5PVN末梢激活后的行为与身体反应
PVN末梢激活后的行为与身体反应
图5显示回巢、心率及皮质酮变化,瞳孔大小未显著改变。末梢与胞体激活的结果范围并不完全相同。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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局部PVN细胞与谷氨酸信号,为行为提供支持

当PVN局部细胞活动被降低,末梢激活引出的回巢变慢、奔跑速度下降、躲藏减少。阻断当地谷氨酸受体,也削弱回巢速度和巢内停留的变化;相应CCK受体阻断则未显著改变所测指标。细胞标记与实际参与的快速传递信号,由此得到区分。

直接激活PVN中的谷氨酸能群体,也能引出回巢。研究因此把脑干与下丘脑的功能联系串得更具体,但仍未确定哪些PVN亚群承担全部效应,或不同下游区域怎样合作。结果来自雄性小鼠的防御行为,尚不是焦虑或其他人类疾病的治疗证据。

原论文图 6PVN局部活动与受体信号
PVN局部活动与受体信号
图6显示局部抑制及受体阻断对回巢相关指标的影响,并展示PVN谷氨酸能群体的激活效应。
来源:Wang F et al. · eLife · CC BY
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论文信息

Wang F, Chen Y, Lin Y, Wang X, Li K, Han Y, Wu J, Shi X, Zhu Z, Long C, Hu X, Duan S, Gao Z.
A parabrachial to hypothalamic pathway mediates defensive behavior
eLife · 2023-03-17
DOI: 10.7554/elife.85450