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小脑也调节回避:两条相反的输出连接运动与情绪

Nature communications · 2025-04-08

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Nature Communications · 研究前沿

小脑也调节回避:两条相反的输出连接运动与情绪

雄性小鼠研究发现,小脑到未定带的兴奋与抑制投射影响开放区域探索和位置选择,反复活动及运动经历还会改变通路的作用。

AI 概念插画:小鼠在圆柱表面保持平衡

小脑擅长协调动作,但它发出的信息也可以走进情绪相关网络。2025 年 4 月 8 日发表于《Nature Communications》的研究发现,小鼠小脑核向未定带发送两种方向相反的信号:谷氨酸能输出促进回避,GABA 能输出则增加开放区域探索。两条通路都对急性压力有响应,却在位置选择、重复活动后的突触变化,以及运动后的行为调节中表现出不同作用。小脑与情绪的关系,由此成为一个有关细胞身份和通路平衡的故事。

关键发现

小脑—未定带通路包含作用相反的两类投射;重复活动伴随突触增强,而运动后的探索变化也受到这组通路调节。

阅读目录 · 7个部分

兴奋输入接到抑制细胞,抑制输入接到兴奋细胞

研究从小脑中间核和齿状核出发,追踪抵达未定带的轴突。这里既有谷氨酸能投射,也有 GABA 能投射,两者集中在相近区域,却接到不同细胞上:前者向 GABA 能细胞提供兴奋性输入,后者向谷氨酸能细胞提供抑制性输入。

电学记录与细胞标记进一步支持这些直接连接。这样的交叉安排让信号的接收对象成为关键:小脑输出的效果,取决于递质及它抵达的下游细胞。区域之间的联系内部,已经包含了可能产生不同结果的两条支路。

原论文图 2两类投射的直接连接
两类投射的直接连接
原论文 Figure 2:突触记录和细胞标记支持小脑谷氨酸能细胞连接未定带 GABA 能细胞、小脑 GABA 能细胞连接未定带谷氨酸能细胞。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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两条支路都响应,幅度与持续时间不同

遇到气流、头顶物体或社会攻击等急性压力事件,投向未定带的两类小脑细胞都出现钙响应。谷氨酸能细胞的响应通常较强、较持久,GABA 能细胞的响应较弱、较短,说明共同事件可以在两条输出中留下不同动态。

吃蔗糖颗粒的短时观察中,两类细胞没有出现明显钙信号变化。压力响应与这次进食观察之间的差异,让研究进一步追问:这些输出被激活时,动物会如何探索开放区域,又会怎样选择停留位置?

原论文图 3急性压力相关的小脑输出响应
急性压力相关的小脑输出响应
原论文 Figure 3:在小脑核记录投向未定带的两类细胞,显示多种急性压力相关的钙变化,两类输出的动态不同。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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激活谷氨酸能输出,开放区域探索减少

激活小脑到未定带的谷氨酸能末梢,小鼠进入高架十字迷宫开放臂的次数和停留时间减少,旷场中心探索也下降,整体行走距离等指标基本不变。小鼠还会减少停留在与刺激相连的位置,学习后的位置回避也增加。

这条支路同时影响开放区域探索和位置选择,使结果超出单一活动标记的范围。不同观察共同指向更强回避,而运动指标的相对稳定,使这些变化更聚焦于动物对环境的选择。

原论文图 4谷氨酸能输出与回避
谷氨酸能输出与回避
原论文 Figure 4:激活谷氨酸能输出减少开放臂探索并诱导位置回避;反复激活后还可观察到行为及突触响应变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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抑制这条输出,开放臂探索增加

抑制谷氨酸能输出时,开放臂探索朝相反方向改变:进入次数和停留时间增加。在未受压小鼠中,旷场中心探索没有明显改变;急性束缚压力之后,抑制这条输出则能增加中心及开放臂探索。效果随行为情境有所不同。

细胞层面也出现对应变化:接收这条兴奋输入的未定带 GABA 能细胞,其自发兴奋性突触事件频率下降,放电减少。区域箭头之外,信号传递强弱和接收细胞的响应也参与了行为变化。

原论文图 5抑制谷氨酸能输出的作用
抑制谷氨酸能输出的作用
原论文 Figure 5:抑制谷氨酸能输出增加开放臂探索,旷场中心及运动指标基本不变,并减弱相关接收细胞的突触事件及放电。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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GABA 能输出带来相反的位置选择

激活 GABA 能输出,小鼠的开放臂进入次数和停留时间增加,也更愿意停留在与刺激相连的位置。基础状态下旷场中心探索变化不明显,受压之后则可增加中心探索。两条来自相近小脑区域的输出,因细胞连接不同而呈现相反倾向。

它们的差异也体现在接收端:GABA 能输入抑制未定带谷氨酸能细胞,而谷氨酸能输入兴奋另一组 GABA 能细胞。行为方向并不能从单一递质名字推断,真正起作用的是递质、目标细胞与网络位置的组合。

原论文图 6GABA 能输出与位置偏好
GABA 能输出与位置偏好
原论文 Figure 6:激活 GABA 能输出增加开放臂探索与刺激相关位置偏好;反复激活伴随抑制性突触事件增加和接收细胞放电下降。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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反复激活后,突触变化可以持续数日

反复激活谷氨酸能支路后,接收细胞的兴奋性突触事件频率增加,成对刺激的响应比例下降,支持突触前传递增强。反复激活 GABA 能支路则增加抑制性事件频率。两组事件幅度基本不变,部分变化在刺激结束后第四天仍可观察到。

对应的探索变化也方向相反:前者减少开放臂探索,后者增加。前者的旷场中心时间却没有同步改变。活动能够在通路中留下较持久的影响,但不同任务对这些影响的呈现仍有差别。

运动调节的不只是动作网络

转棒运动经历后,小鼠开放臂探索增加,行走距离基本不变。提前加强谷氨酸能支路,或抑制 GABA 能支路,都削弱这一探索增加;运动后,光诱发的小脑—未定带整体电响应也增强。结果把运动经历与这组输出的调节作用联系起来。

有趣的是,抑制整条小脑—未定带输出反而进一步增强运动后的开放臂探索。这项雄性小鼠研究呈现了两条作用相反的支路共同参与调节的情形;未定带接下来通过哪些输出影响探索,仍是故事尚未展开的一段。

原论文图 7两类支路与运动后的探索变化
两类支路与运动后的探索变化
原论文 Figure 7:加强谷氨酸能或抑制 GABA 能投射削弱运动后的开放臂探索增加;抑制整体输出则增强这一行为变化。
来源:Zhao Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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论文信息

Zhao Y, Wu JT, Feng JB, Cai XY, Wang XT, Wang L, Xie W, Gu Y, Liu J, Chen W, Zhou L, Shen Y.
Dual and plasticity-dependent regulation of cerebello-zona incerta circuits on anxiety-like behaviors
Nature communications · 2025-04-08
DOI: 10.1038/s41467-025-58727-0