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安静下来却更警觉,血清素怎样改变脑状态

Nature communications · 2024-03-22

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Nature communications · 研究前沿

安静下来却更警觉,血清素怎样改变脑状态

斑马鱼遇到报警信号后,游动减少却更容易察觉威胁。研究从脑内同步活动追到血清素及其受体,并在雄鼠中观察到相似的警觉状态。

AI概念插画:安静警觉的斑马鱼和小鼠,背景神经网络呼应跨物种血清素调节研究。

面对危险,动物未必总是跑得更快。它也可能停下来,把注意留给周围的动静。2024年3月22日发表于 Nature Communications 的研究,以斑马鱼的报警反应为起点,追踪这种“身体安静、感官警觉”的组合。研究发现,背侧中缝核的血清素信号能够改变前脑神经活动的节奏;从鱼到小鼠,持续激活这组细胞都能带来活动减少、对厌恶刺激更敏感的状态。

关键发现

持续激活中缝血清素细胞可诱发低频同步活动和警觉相关行为;5-HT7受体参与这一过程。小鼠的脉冲刺激没有带来同样脑电转换,刺激形式会改变结果。

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游得更慢,并不等于反应迟钝

接触同类报警物质后,斑马鱼先短暂快速游动,随后停在水箱底部,再进入较慢的游动状态。即使转入清水,这段变化仍可持续。单凭运动减少,很难判断它是受惊僵住,还是在等待下一条危险线索。

进一步测试给出了区别:声音和几类厌恶刺激引起反应所需的阈值降低,随后逐渐恢复;清水对照没有相同变化。少动与更敏感同时出现,构成了这项研究观察警觉的行为依据。

原论文图 1游得更慢,并不等于反应迟钝
游得更慢,并不等于反应迟钝
原论文Figure 1:报警物质后的游动变化与厌恶刺激反应阈值;阈值随时间逐渐恢复。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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前脑细胞开始踩着同一节拍

成像把视线带到斑马鱼背侧端脑。报警信号出现后,原先较为分散的神经元钙活动转为低频、高幅度的同步振荡,主要集中在中央区Dc。细胞之间的相关性升高,像各走各的钟摆开始合拍。

同步振荡逐渐减少时,游速重新上升;同步持续的时间,也与反应阈值降低的时段相近。这让警觉有了脑内活动的对应图景,而不仅是一段外在姿态。

原论文图 2前脑细胞开始踩着同一节拍
前脑细胞开始踩着同一节拍
原论文Figure 2:Dc区域钙活动同步增强,以及同步活动、游动和刺激敏感性随时间的变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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报警之后,中缝的血清素信号增强

背侧中缝核的血清素细胞随后成为关键线索:报警物质使这些细胞钙活动增强,单细胞放电也持续增加。投射追踪连接了它们与Dc,背侧端脑样品的分析则显示,早期5-HT水平升高,一小时后回到对照附近。

神经调质能改变一群细胞接收输入、组织活动的方式,因此适合连接一次外界事件与随后延续的状态。这里有意思的正是时间跨度:最初的快速游动已经过去,较慢的行为与协调的神经节律仍在继续,直到警报的影响逐渐散去。

缺少血清素合成相关基因tph2的鱼,未出现正常的同步变化和游动减少;补充5-HT能恢复同步活动。合成环节的改变,把血清素从伴随报警的信号,推进到状态形成的重要参与者。

原论文图 3报警之后,中缝的血清素信号增强
报警之后,中缝的血清素信号增强
原论文Figure 3:中缝细胞活动、投射与5-HT检测,以及tph2缺失和补充5-HT后的同步活动。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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受体把化学信号变成放电节奏

同步细胞多表现出谷氨酸能特征,并富集htr7a转录本。电生理记录中,它们由自发放电转向成串发放,每轮同步钙活动的开端还伴随抑制后的反跳。受测GABA细胞没有出现相同放电转换。

阻断5-HT7受体,或缺失htr7a,都使报警后的成串发放和同步活动消失;基因缺失鱼也没有正常的持续游动减少。受体因而连接起递质变化、细胞节律和外在行为。

原论文图 4受体把化学信号变成放电节奏
受体把化学信号变成放电节奏
原论文Figure 4:同步细胞的转录与电生理特征,以及5-HT7受体阻断或htr7a缺失后的变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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没有报警物质,也能唤起这组变化

持续激活中缝血清素细胞,便可在鱼中引出Dc细胞的成串发放、游动减少和厌恶刺激阈值降低,对照鱼没有相同反应。变化的持续程度还随激活条件而改变。神经调质不仅传递一次报警,也能让其后的状态延续。

原论文图 5没有报警物质,也能唤起这组变化
没有报警物质,也能唤起这组变化
原论文Figure 5:中缝血清素细胞激活后,Dc放电、游动及厌恶刺激反应的变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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小鼠也会少动,却更容易察觉威胁

在雄鼠中,持续激活同类细胞使前额叶脑电偏向低频δ活动,伴随运动减少;按放电波形归类的兴奋性细胞出现与低频节律一致的成串发放。小鼠对厌恶刺激的阈值降低,在庇护处停留更久,5-HT7受体拮抗处理则阻止相应变化。

同一研究中的脉冲刺激没有改变脑电功率谱,反而增加运动。血清素细胞的作用因此与激活模式有关,“激活这一群细胞”并不只有一种行为结局。

原论文图 6小鼠也会少动,却更容易察觉威胁
小鼠也会少动,却更容易察觉威胁
原论文Figure 6:雄鼠中缝细胞激活后的脑电、放电、刺激阈值与庇护行为,以及受体拮抗对照。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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前额叶末梢能够复现部分状态特征

进一步把激活位置移到前额叶的血清素轴突末梢,也能引出低频同步脑电和运动减少。这个投射为中缝怎样影响前脑提供了功能联系;这里的末梢实验直接展示的是脑电与运动,并未逐一重做全部威胁反应。

原论文图 7前额叶末梢能够复现部分状态特征
前额叶末梢能够复现部分状态特征
原论文Figure 7:前额叶血清素末梢激活与对照条件下的脑电和运动记录。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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警觉的线索,也出现在眼睛里

头部固定小鼠的瞳孔记录补上了另一面:中缝细胞激活后,瞳孔扩大并保持较高波动,对照没有显著改变。斑马鱼实验使用四至五周龄、雌雄混合个体,小鼠实验则为两月龄雄鼠。

这项研究把警觉描绘成一组协调变化:身体减少行动,脑内形成同步节律,对外界的响应却更敏锐。相似的血清素调节在两个物种中出现,也提醒人们,慢下来并不总是意味着大脑放松下来。

原论文图 8警觉的线索,也出现在眼睛里
警觉的线索,也出现在眼睛里
原论文Figure 8:头部固定雄鼠中缝细胞激活前后及对照条件的瞳孔变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY
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论文信息

Zhao Y, Huang CX, Gu Y, Zhao Y, Ren W, Wang Y, Chen J, Guan NN, Song J.
Serotonergic modulation of vigilance states in zebrafish and mice
Nature communications · 2024-03-22
DOI: 10.1038/s41467-024-47021-0