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闻到危险,为什么会躲开?一条绕行杏仁核的路线

Nature Neuroscience · 2024-02-12

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Nature Neuroscience · 研究前沿

闻到危险,为什么会躲开?一条绕行杏仁核的路线

一条连接嗅觉、皮层与脑干细胞的路线,参与雄性小鼠气味驱动的先天防御;改变回路活动,还能影响急性应激后的探索表现。

小鼠气味感知与回避主题的 AI 科学概念插画

有些危险,不必等到看见才会察觉。一阵气味飘来,小鼠便离开原来的区域,或迅速奔向藏身处。这样的防御反应,怎样从鼻尖的信息变成脑内行动?谈到恐惧,杏仁核常常是首先被想到的脑区。2024年2月12日发表于 Nature Neuroscience 的研究,却沿着气味找出另一条路线:嗅觉信息进入一处皮层区域,继续传到脑干的特定细胞群,再向下游接力。即使部分杏仁核区域受到处理,这条路线仍能支持相应防御表现,让先天恐惧的脑内图景多了一条重要分支。

关键发现

研究连接了嗅球、背侧脚状皮层、旁臂核前部Cck标记细胞与PSTh的Tac1标记细胞。回路活动既影响气味驱动的逃离与回避,也联系到特定应激条件下的焦虑样探索变化。

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杏仁核之外,气味还能从哪里驱动防御?

研究使用捕食者相关气味刺激TMT,观察雄性小鼠的逃离、区域回避与冻结。处理基底外侧和中央杏仁核后,几项反应仍能出现;处理皮层和内侧杏仁核后,部分回避与冻结指标减弱,逃离速度和比例却没有相应显著下降。不同防御表现,并没有完全同进同退。

相比之下,处理背侧脚状皮层(DP)会明显削弱多项TMT反应。激活DP能够推动动物奔向藏身处,并伴随瞳孔和心率变化;在部分杏仁核处理的背景下,抑制嗅球到DP的联系仍可降低防御表现。DP由此成为气味信息走向防御反应的一处关键入口,杏仁核各区域的作用也保留着具体差别。

原论文图 1杏仁核之外,气味还能从哪里驱动防御?
杏仁核之外,气味还能从哪里驱动防御?
原文图1:杏仁核不同区域与DP的干预比较,以及DP相关防御和自主反应。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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从嗅球到皮层,再找到带有分子标记的下游

沿DP继续追踪,团队找到旁臂核上外侧部的前段(前部PBNsl)。DP向这里提供兴奋性输入,相关接收细胞中包括Cck标记群体;它们又向丘脑底旁核(PSTh)投射,联系到Tac1标记细胞。嗅球、皮层与后续节点,因此有了可以具体辨认的接续关系。

细胞标记与电流响应相互补充:连接示踪显示信息可能经过哪些细胞,光诱发的兴奋性电流则支持相应功能联系。不同节点中的标记重叠比例并非百分之百,分子名称帮助圈定研究关注的细胞群,并不意味着整个脑区只有这一种细胞,或所有输出都走向同一个终点。

原论文图 2从嗅球到皮层,再找到带有分子标记的下游
从嗅球到皮层,再找到带有分子标记的下游
原文图2:DP、前部PBNsl与PSTh的连接,Cck/Tac1相关细胞标记,以及兴奋性电流证据。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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气味抵达时,一部分细胞首先活跃起来

TMT出现时,通向前部PBNsl的DP细胞活动增强,较高浓度刺激引出的钙信号更大;花生油与水的比较则未见同样显著差异。在前部PBNsl的Cck标记细胞中,气味引出的响应也有区别:一部分细胞增强,另一些受抑制或没有明显响应,群体内部保留着异质性。

抑制DP在前部PBNsl的末梢,能够减弱逃离、回避与冻结等表现;激活这份输入,或激活相关Cck标记细胞,则推动动物迅速寻找藏身区域。气味诱发的活动与干预后的行为,共同支持这一段联系参与防御。研究对视觉和声音威胁的比较,又提示所观察的响应具有感觉情境上的选择性。

原论文图 3气味抵达时,一部分细胞首先活跃起来
气味抵达时,一部分细胞首先活跃起来
原文图3:DP至前部PBNsl的气味响应、Cck标记细胞的不同响应类型,以及该段联系的行为干预。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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PSTh接到信号,也能影响逃离与回避

前部PBNsl通向PSTh的细胞,以及PSTh中的Tac1标记细胞,在TMT刺激下均出现钙信号增强。将前部PBNsl在PSTh的末梢活动压低,动物的逃离比例、区域回避与冻结等表现随之减弱;激活这些末梢,则可以推动朝藏身处的移动。

对PSTh的Tac1标记细胞直接进行调节,也得到方向一致的防御变化。由上游输入到下游细胞,几组证据在这里接续起来。它们展示的是特定细胞与刺激条件下的一段防御路线,也让“旁臂核参与负性信息”这一较宽泛的认识,进一步落实到具体输入、输出与动物反应。

原论文图 4PSTh接到信号,也能影响逃离与回避
PSTh接到信号,也能影响逃离与回避
原文图4:前部PBNsl至PSTh、PSTh的Tac1标记细胞的气味信号与防御响应。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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沿DP输入锁定细胞,防御仍能绕过部分杏仁核区域

研究进一步锁定承接DP输入的前部PBNsl Cck标记细胞,将这一选择与已验证的PSTh输出联系起来。抑制该细胞群,TMT引出的逃离、回避与冻结都减弱;增强其活动,则产生朝藏身处移动的防御表现。不同段落的回路证据,在同一选择性细胞群的干预中再次汇合。

在皮层与内侧杏仁核受到处理的小鼠中,这种激活仍能推动逃离;几项逃离和区域停留指标,与未做该处理的激活组比较未见显著差异。结果支持这条路线在相应条件下能够绕行这些杏仁核区域,补充了气味防御的解释,也与前面不同杏仁核处理对不同指标的影响相呼应。

原论文图 5沿DP输入锁定细胞,防御仍能绕过部分杏仁核区域
沿DP输入锁定细胞,防御仍能绕过部分杏仁核区域
原文图5:承接DP输入的前部PBNsl细胞群选择性干预,以及部分杏仁核区域处理后的激活比较。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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从避开气味,延伸到应激后的探索改变

这条路线的影响还延伸到负性场景。激活所选细胞群时,小鼠避开与光刺激相伴的区域,有奖励条件下的主动戳鼻也减少。连续三天、每天一小时的激活后,开放场中心探索与高架迷宫开放臂探索降低,同时总运动距离也下降,呈现出多项共同变化。

在急性束缚应激后抑制所选回路,中心区和开放臂探索能够改善,而总运动距离在相应组间未见显著差异;开放臂停留时间仍与未应激对照存在差别。从闻到气味后的迅速逃离,到应激后的探索方式,这项雄性小鼠研究显示,先天防御与负性状态可以在一条分子定义的路线中交汇,又各自保留着具体的行为表现。

原论文图 6从避开气味,延伸到应激后的探索改变
从避开气味,延伸到应激后的探索改变
原文图6:刺激配对回避、奖励条件下的戳鼻,以及重复激活和急性应激后抑制的探索比较。
来源:Hao Wang et al. · Nature Neuroscience ·
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论文信息

Hao Wang, Qin Wang, Liuzhe Cui, Xiaoyang Feng, Ping Dong, Liheng Tan, Lin Lin, Hong Lian, Shuxia Cao, Huiqian Huang, Peng Cao, Xiao-Ming Li
A molecularly defined amygdala-independent tetra-synaptic forebrain-to-hindbrain pathway for odor-driven innate fear and anxiety
Nature Neuroscience · 2024-02-12
DOI: 10.1038/s41593-023-01562-7