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危险就在食物旁:丘脑CRF细胞怎样参与选择

Nature communications · 2021-05-04

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Nature communications · 研究前沿

危险就在食物旁:丘脑CRF细胞怎样参与选择

大鼠研究发现,丘脑aPVT的CRF相关群体参与食物与捕食者线索冲突;其伏隔核输出和下丘脑输入,对觅食与防御呈现不同作用。

原论文Figure 6l单一合并荧光视野局部:aPVT相关共标记细胞

食物近在眼前,危险气味却出现在附近,饥饿的动物怎样选择?2021年5月4日发表于 Nature Communications 的大鼠研究,把这个冲突带到丘脑前部室旁核aPVT。食物提示与捕食者线索同时出现时,CRF相关细胞对提示的响应更常改变;降低这群细胞的活动,大鼠又更愿接近食物。沿着伏隔核输出和下丘脑输入追踪,研究发现,停止觅食与增加防御并不完全由同一环节整齐控制。

关键发现

aPVT CRF相关群体及其伏隔核输出能抑制觅食并促进回避;降低VMH–aPVT投射相关群体活动减轻冲突中的防御,却未显著解除觅食抑制。

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食物提示仍在,觅食却停下

只有食物提示时,大鼠接近食物区域并主动操作获取奖励。加入捕食者气味线索后,它们出现更多冻结、回避和探头评估风险,食物区停留及按杆减少,开始按杆也更慢。

气味不是食物本身的变化,而是给接近食物增加了潜在代价。更饥饿时,部分防御动作减轻,觅食抑制却仍相近,说明身体需求与风险线索可以影响不同的行为环节。

最初行为比较包含雄、雌大鼠,两者都出现防御增加与觅食减少,雌鼠按杆更少。这为理解模型中的个体差别提供了背景。

原论文图 1食物提示仍在,觅食却停下
食物提示仍在,觅食却停下
Figure 1:捕食者线索与食物提示共存时,大鼠防御增加,食物接近和按杆减少;多个脑区出现活动标记变化。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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冲突招募的,不是同一方向的所有细胞

aPVT同时接触食物相关与威胁相关信息。一般细胞记录显示,原本响应食物提示的细胞,在冲突中可能失去原有响应;另一些细胞则在冲突中开始响应,同一脑区的活动组合因此重排。

在被辨认的CRF相关群体中,冲突时响应食物提示的比例增加,既有放电升高,也有放电降低。CRF标记帮助缩小了群体,但并没有把它变成方向完全一致的一群细胞。

原论文图 4冲突招募的,不是同一方向的所有细胞
冲突招募的,不是同一方向的所有细胞
Figure 4:CRF相关群体更常在冲突中响应食物提示,兴奋与抑制方向同时存在。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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降低CRF群体活动,部分行为偏向食物

冲突中降低aPVT CRF相关群体活动,回避减少,食物接近和按杆增加,开始操作更快;冻结和探头比较没有显著改变。回避与觅食的变化,并非所有防御动作一同消失。

单独威胁线索、单独食物提示等对照中,没有出现相同的显著影响。反向增强群体活动,即使没有威胁气味,也可减少觅食并引出位置回避;总运动与冻结并未显著增加。

原论文图 5降低CRF群体活动,部分行为偏向食物
降低CRF群体活动,部分行为偏向食物
Figure 5:群体降低活动改变冲突中的回避和觅食,冻结与探头未显著改变;增强活动则抑制觅食并促进位置回避。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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多个输入输出,汇入这个丘脑节点

解剖追踪显示,aPVT CRF相关细胞向多个区域投射,伏隔核壳区NAcSh的纤维尤其密集。上游来源则包括前额叶、下丘脑和导水管周围灰质等,连接着觅食与防御相关网络。

这份分布为继续检验方向提供了依据,却不是只有一条封闭路线。CRF也首先是细胞身份线索,本研究没有单独确定CRF肽释放在全部行为变化中的贡献。

原论文图 6多个输入输出,汇入这个丘脑节点
多个输入输出,汇入这个丘脑节点
Figure 6:aPVT CRF相关群体具有多来源输入和多处输出,NAcSh投射密集。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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增强伏隔核输出,减少觅食并促进回避

增强进入NAc的aPVT CRF相关末梢活动,食物按杆减少,开始操作延迟,也会回避与活动增强相伴的空间。没有威胁气味时,这段输出仍能改变食物与空间选择。

相应总行走距离、最大速度和冻结比较没有显著改变。特定位置的停留与移动减少,因此与整体运动能力下降有所区别;下游究竟由哪些细胞承担作用,还需要继续追问。

原论文图 7增强伏隔核输出,减少觅食并促进回避
增强伏隔核输出,减少觅食并促进回避
Figure 7:NAc相关末梢增强减少觅食并引出位置回避,总距离、最大速度和冻结未显著改变。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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同一输入,到不同接收细胞有不同节奏

NAc中的中型棘状神经元MSN和胆碱能中间神经元CIN,都能接收这路兴奋性输入。多数成对记录中,MSN电流较大;但连续输入时,CIN响应更易增强,两类细胞呈现不同短时程变化。

因此,下游作用不只由第一下电流大小决定,也可能受到连续输入组织方式影响。CIN是否承担行为效应中的关键中继,本次尚未直接确定。

原论文图 8同一输入,到不同接收细胞有不同节奏
同一输入,到不同接收细胞有不同节奏
Figure 8:两类NAc接收细胞均有兴奋性响应,电流大小和短时程变化不同。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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下丘脑输入降低,防御减轻但觅食仍受抑

VMH中投向aPVT的细胞,在威胁线索后出现更多活动标记。相关输入能兴奋投向NAc的aPVT细胞,但这项接收记录并没有单独将全部细胞限定为CRF群体。

降低VMH–aPVT投射相关群体活动,冲突中的冻结、回避和探头减少,食物接近、按杆及其延迟却未显著改变。单独威胁条件下也没有相同影响。防御减轻,并不必然意味着觅食重新启动。

原论文图 9下丘脑输入降低,防御减轻但觅食仍受抑
下丘脑输入降低,防御减轻但觅食仍受抑
Figure 9:VMH相关群体降低活动减少冲突防御,觅食相关三项比较未显著改变;接收端具有兴奋性联系。
来源:Engelke DS et al. · Nature communications · CC BY
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停止与回避,并非完全相同的指令

这些大鼠结果,将食物与威胁冲突拆成细胞身份、输出方向和行为环节。aPVT CRF相关群体能影响觅食抑制,VMH相关输入则更明显地牵动冲突防御,两者相连却不完全等价。

投射相关细胞仍可能有旁支,其他输入也可能维持觅食抑制。完整的细胞特异串联及自然情境中的活动分工,仍待厘清;现有发现则说明,大脑怎样停止接近,与怎样组织防御,可以沿同一网络中的不同环节展开。

论文信息

Engelke DS, Zhang XO, O'Malley JJ, Fernandez-Leon JA, Li S, Kirouac GJ, Beierlein M, Do-Monte FH.
A hypothalamic-thalamostriatal circuit that controls approach-avoidance conflict in rats
Nature communications · 2021-05-04
DOI: 10.1038/s41467-021-22730-y