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杏仁核的两条支路,怎样教会小鼠趋近与避开?

Nature neuroscience · 2021-10-18

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Nature neuroscience · 研究前沿

杏仁核的两条支路,怎样教会小鼠趋近与避开?

同样带有Fezf2标记的杏仁核细胞,既有奖励响应,也有厌恶响应。学习把预告线索接到这些反应上,不同投射则分别参与寻求奖励和主动回避。

原论文Figure 1a合并荧光视野局部:Fezf2与PPP1R1B标记的分布

杏仁核常被联想到恐惧,但它同样帮助动物追逐好事。2021年10月18日发表于 Nature Neuroscience 的研究,把这两种方向放进同一个细胞标记中观察:在基底外侧杏仁核前部(BLa),Fezf2标记的细胞既能响应奖励,也能响应厌恶事件。随着学习,它们还会提前响应相应的预告线索。团队进一步把活动与投射、行为相连,发现通向伏隔核(NAc)与嗅结节(OT)的细胞群,分别参与避开不利后果与寻求奖励。

关键发现

Fezf2标记群体内部存在奖励与厌恶响应亚群,学习后获得相应线索响应。通向NAc的群体偏向厌恶与回避,通向OT的群体偏向奖励与趋近;这些结果描述了受测细胞与任务中的功能分工。

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同一个标记,没有统一的喜恶答案

Fezf2标记主要位于BLa,属于其中一部分兴奋性细胞。观察尚未学习预告线索的小鼠,团队发现一些细胞对水响应、对气流不明显,另一些则相反;还存在少量两者都响应的细胞。这些细胞在空间上交错,并未分成两块整齐区域。

因此,基因标记提供的是进入一个群体的入口,而不是给它贴上固定的“好事”或“坏事”标签。相比之下,未被Fezf2标记的BLa细胞中,较大一部分更敏感于声音,显示同一区域内还有不同的信息分工。

原论文图 2同一个标记,没有统一的喜恶答案
同一个标记,没有统一的喜恶答案
Figure 2:Fezf2阳性与阴性细胞的刺激响应。阳性群体含奖励、厌恶、混合及未明显响应细胞,正负响应细胞在空间上交错。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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先对结果响应,再学会听懂预告

在主动趋近与回避任务中,不同声音预告奖励、厌恶事件或无后果的中性情况。随着表现提高,响应奖励和厌恶预告的Fezf2细胞比例增加,中性线索的响应没有相同变化。声音的意义,逐渐进入了原本偏向事件本身的细胞活动。

跨阶段追踪的一部分细胞,把这一过程展示得更直接:原先响应奖励的细胞,后来对奖励线索响应;原先响应厌恶事件的细胞,则逐渐响应相应预告。并非每个结果响应细胞都获得线索响应,学习重塑的是其中的亚群。

原论文图 3先对结果响应,再学会听懂预告
先对结果响应,再学会听懂预告
Figure 3:任务表现与预告线索响应的发展,以及部分相同细胞的跨阶段追踪。中性线索响应未出现同样增加。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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活动走在行动之前,但相关还不是全部

成功获得奖励的试次,奖励相关细胞对线索的响应更强;成功避开厌恶事件的试次,另一类细胞的相应响应更强。许多响应还早于舔舐或奔跑开始,而不是只在动作完成后出现。

学习后的群体活动,也能更好地区分奖励、厌恶与中性试次。这说明细胞群携带了可用于辨认后果的信息。它是否真正参与行动选择,则需要看改变活动以后,动物怎样行动。

原论文图 4活动走在行动之前,但相关还不是全部
活动走在行动之前,但相关还不是全部
Figure 4:成功与失败试次的线索响应、神经活动与行动起始时间,以及群体活动对试次类型的区分。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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沿着出口追踪,两类功能逐渐分开

Fezf2细胞有多个下游,其中NAc与OT投射较密。按投射去向区分后,NAc方向的细胞群偏向响应厌恶刺激,OT方向则偏向奖励;学会任务后,两群也分别响应厌恶和奖励预告,中性线索没有明显响应。

两类投射细胞大部分不重叠,却仍有少量侧支联系。解剖上稀疏的侧支也可能产生明显突触响应,因此这是一种偏好性的连接组织,而非两套完全隔绝的线路。

原论文图 5沿着出口追踪,两类功能逐渐分开
沿着出口追踪,两类功能逐渐分开
Figure 5:主要输出分布及投射定义群体的刺激、线索钙响应。NAc方向偏向厌恶,OT方向偏向奖励;记录的是BLa投射定义群体。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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输入来源不同,为功能差异提供线索

追踪上游连接,NAc投射群体较多接收来自丘脑室旁核、皮层杏仁核和背侧中缝核的标记输入;OT投射群体则在梨状皮层、内侧膝状体腹侧部等来源上更突出。两群的区别,既出现在信号送往哪里,也出现在信号从哪里进入。

这些解剖差异为正负信息的分流提供了结构线索,但尚未逐一证明哪条上游输入决定了哪一种响应。局部细胞、经验与上下游联系怎样共同塑造功能,仍有待连接。

原论文图 6输入来源不同,为功能差异提供线索
输入来源不同,为功能差异提供线索
Figure 6:两类投射定义BLa群体的上游连接分布。不同区域的标记输入比例存在差异,属于解剖连接证据。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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降低活动,影响的是预告后的相应行动

训练期间抑制NAc投射群体,厌恶试次表现降低,奖励试次基本不变;抑制OT投射群体则影响奖励试次,厌恶试次未显著改变。学会之后再检验,也看到相应的预期奔跑或舔舐减少,而另一类行动保持相近。

另一组对整体Fezf2群体的抑制,使预告后的两类行动都减弱,实际奖励或厌恶事件引起的舔舐和奔跑却未显著改变。动物仍能做出这些动作,受影响的是根据预告提前行动的环节。

原论文图 7降低活动,影响的是预告后的相应行动
降低活动,影响的是预告后的相应行动
Figure 7:训练期间及学会后,两类投射定义群体抑制对相应任务表现和预期动作的影响。整体Fezf2抑制及结果触发动作的比较见扩展图8。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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一条支路让动物愿意接近,另一条教它主动避开

增强NAc投射群体,小鼠避开与激活配对的位置;增强OT投射群体则产生位置偏好,并能支持动物主动触发刺激。进一步测试中,NAc方向的激活可作为动物学习主动避开的不利后果,OT方向却不能支持同样回避。两种活动为行为赋予了不同方向的动机。

这些结果聚焦Fezf2标记群体,其他杏仁核至NAc细胞仍可能参与奖励。投向前额叶或外侧隔的末梢在受测位置任务中也未见同样效应。研究揭示的不是整个脑区的固定好恶,而是特定细胞与连接怎样把经历和预告接成行动。

原论文图 8一条支路让动物愿意接近,另一条教它主动避开
一条支路让动物愿意接近,另一条教它主动避开
Figure 8:投射定义胞体群体激活的位置偏好或回避、自我刺激与主动回避结果。扩展图10中的末梢实验提供方向一致的补充证据。
来源:Zhang X et al. · Nature neuroscience · TDM
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论文信息

Zhang X, Guan W, Yang T, Furlan A, Xiao X, Yu K, An X, Galbavy W, Ramakrishnan C, Deisseroth K, Ritola K, Hantman A, He M, Josh Huang Z, Li B.
Genetically identified amygdala-striatal circuits for valence-specific behaviors
Nature neuroscience · 2021-10-18
DOI: 10.1038/s41593-021-00927-0