竞争(competition)是个体或群体间力图胜过或压倒对方的心理需要和行为活动，其作为一种社会性刺激，会对个体产生一系列影响和作用。社会竞争在决定个人社会地位方面起着关键作用。动物的健康和生活质量很大程度上取决于它们的支配地位，通过反复的社会实践来获得胜利。早在2011年的时候，胡海岚团队就在《科学》发文[1]，引入“钻管测试”来研究小鼠的等级地位：在一段只能让一只小鼠通过的玻璃管道中，两只小鼠狭路相逢，一场不进则退的较量在所难免，而优势者会在30秒内将对方推出管道。一群小鼠经过两两竞争，等级高低便一目了然。随后在2017年，又指出大脑中存在一条介导“胜利者效应”的神经环路，它决定着：先前的胜利经历，会让之后的胜利变得更加容易，相关研究同样发表在《科学》杂志上[2]。在竞争测试中，操纵背内侧前额叶皮层（dorsomedialprefrontal cortex, dmPFC）神经元的突触强度或活动可以双向控制小鼠竞争结果和优势地位。虽然dmPF在调节社会竞争中至关重要，但仍不清楚信息在其局部网络中是如何处理的，包括不同类型的mPFC神经元如何参与社会竞争，它们的动态是什么样的，以及它们如何调节支配行为。
2021年11月18日，浙江大学医学院脑科学与脑医学学院/教育部脑与脑机融合前沿科学中心的胡海岚教授团队在Neuron在线发表题为"Dynamics of a disinhibitory prefrontal microcircuit in controlling social competition"的研究论文，在其前期研究基础上，应用细胞类型特异性光遗传学和化学遗传学工具来调控锥体（PYR）神经元和dmPFC中三大主要中间神经元，包括小清蛋白（parvalbumin, PV）阳性、血管活性肠肽（vasoactiveintestinal polypeptide, VIP）阳性及生长激素抑制素（somatostatin, SOM）阳性神经元的活动，进一步揭示了这些神经元活动在小鼠社会竞争行为中的不同功能；通过钙成像、光纤和微型双光子（MTPM）记录进一步揭示了这些细胞类型之间的动态相互作用以及通过PV神经元从VIP到PYR神经元的潜在去抑制微环路机制。
该研究团队在前期研究中发现，光激活dmPFC脑区的兴奋性PYR神经元可以诱导小鼠在钻管测试中的获胜行为。于是，为了系统研究不同的dmPFC中间神经元类型对社会竞争行为的影响，研究人员采用了三种Cre小鼠系（SOM-Cre、PV-Cre和VIP-Cre）来驱动特异性中间神经元类型ChR2的表达（图1E-1O）。结果发现，与对照组相比，用光遗传的方法激活dmPFC中的VIP神经元，能让小鼠在钻管测试中表现出更多的推挤行为，撤退的次数较少，使得原本弱势的小鼠获得胜利；而PV神经元的光激活导致小鼠等级下降；对于另一类SOM神经元激活后，无明显差异。
图1. 钻管测试中，光激活小鼠不同dmPFC神经元类型的行为效应。
接下来，研究人员又检测了不同类型的dmPFC中间神经元在钻管测试竞争中的作用（图2）。通过向SOM-Cre(图2B)、PV-cre(图2E)或VIP-Cre(图2I)小鼠的dmPFC中双侧注射AAV编码的Gi偶联hM4D受体，应用了DREADD系统进行化学遗传抑制调控。结果显示，抑制PV神经元可以使小鼠等级升高，表现出更多的推力和更少的后退行为；抑制VIP 神经元则导致小鼠等级下降，后退行为增加；同样，抑制SOM神经元没有引起任何显著的等级排名变化。
图2. 在钻管测试中，不同类型的dmPFC中间神经元化学遗传抑制的行为效应。
研究人员希望观察到小鼠dmPFC的不同神经元类型在钻管测试竞争过程中的实时活动。通过光纤记录系统，监测了dmPFC的整体钙活动（图3A,B）。研究发现，当实验小鼠与对手对抗过程中，记录的小鼠出现推挤行为时，dmPFC 的Ca2+信号立即增加，取得胜利；相反，在撤退小鼠中，观察到了dmPFC的Ca2+信号显著降低（图3H-J）。这种Ca2+动力学表明，dmPFC神经元通常在社会竞争中的“努力”推压过程中被激活，在“被动”后退过程中被抑制。
图3. 在推退过程中dmPFC神经元的Ca2+活动。
为了更好地了解dmPFC微环路中不同的神经元类型对竞争行为的调控作用，研究人员分别对PYR、PV和VIP神经元进行了光纤Ca2+记录。结果显示PYR神经元和VIP神经元的活动在推挤行为时升高，而在后退行为发生时下降（图4B-F）；PV神经元则在推挤行为和后退行为发生时都上升（图4G-I）。值得注意的是，VIP神经元的活动变化在推挤时较PYR和PV都更为提前，因此极有可能是VIP神经元起始了mPFC在社会竞争推挤行为中的一系列变化。
图4. 不同类型的dmPFC神经元在推挤和后退行为中的动态活动差异。
由于dmPFC中VIP和PV神经元的钙动力学以及它们对社会竞争行为的相反影响，研究人员使用光遗传学结合快速高分辨率微型双光子显微镜（FHIRM-TPM V2.0）系统，探索了这两种神经元类型是如何影响dmPFC活动（图5A）。微型双光子显微镜能够跟踪清醒小鼠的单个神经元钙活动，还能实现对不同类群神经元的操纵。研究人员发现，抑制dmPFC中的PV神经元会激活以锥体神经元为主体的dmPFC其他神经元。而抑制mPFC中的VIP神经元，会使得mPFC中的其他神经元产生抑制效应，使得mPFC中的钙活动减弱(图5)。这些结果证实了在调节dmPFC网络活动中PV神经元所起到的抑制作用和VIP神经元的兴奋作用。
图5. 抑制PV或VIP神经元对dmPFC神经网络活性的影响。
为了推断VIP、PYR和PV神经元的活动顺序，研究人员对清醒小鼠的dmPFC神经元使用了在体光标记电生理记录技术，该技术可以以毫秒级的时间分辨率记录神经元的每一个动作电位；同时对PV和VIP神经元进行了光遗传学激活（图6和图7）。当激活PV神经元时，mPFC中大多数其他神经元都被有效抑制，说明PV神经元可以相互抑制或抑制其他类型的中间神经元；而当激活VIP神经元，当对所记录到的不同类型神经元进行分类时，发现PV神经元较多的是被直接抑制或先抑制后激活；而PYR神经元则较多地被VIP神经元延迟激活。
此外，研究人员进一步观察到了在社会竞争的推挤行为中，PV和PYR神经元的反应和时间动力学存在明显的异质性；其中一小部分PV神经元有可能在推挤发生过程中介导了PYR神经元的去抑制作用。
图6. 激活PV神经元对dmPFC神经网络活动的影响。
图7. 激活VIP神经元对dmPFC神经网络活动的影响。
基于以上研究，胡海岚团队提出了一个工作模型来描述社会竞争中dmPFC微环路中VIP、PV和PYR神经元的顺序动作(图8)。在基础状态下，PV神经元对其他神经元产生轻度强直性抑制(图8Aa)；而遇到弱的对手时，VIP神经元被激活，导致PV和PYR神经元瞬间抑制(图8Ab)；抑制PV导致PYR的去抑制，发生推挤行为；PYR激活使PV兴奋(图8Ac)，其反馈抑制最终将所有神经元带回基础状态(图8Ad)。而在撤退过程中，无论是VIP神经元受到抑制，还是来自其他上游信号的输入，PV神经元都会被激活(图8Bb)；在整个dmPFC网络中抑制神经元活动(图8Bc)；PV神经元的自抑制可以促使回到基础状态(图8Bd)。通过这些动态的相互作用，dmPFC的中间神经元和锥体神经元协调了社会竞争中与输赢相关的行为。本研究团队强调了一个由PV中间神经元介导的VIP神经元到PYR神经元的去抑制微环路。
图8. 由VIP-PV-PYR 神经元组成的dmPFC去抑制微环路调控社会竞争行为的神经环路模型。
浙江大学脑科学与脑医学学院胡海岚教授与实验室前成员朱鸿博士(现埃默里大学博士后)是本文的共同通讯作者，博士生张超逸、朱鸿博士和博士生倪哲一是共同第一作者，此外博士后辛秋红、周亭亭博士和北京大学的吴润龙博士等也在其中做出了重要贡献。本研究还得到了北京大学前沿交叉学科研究院的程和平院士和张珏教授，美国麻省大学医学院的高光坪教授，复旦大学脑科学研究院的何苗教授，浙江大学脑科学与脑医学学院的高志华教授，马欢教授和李浩洪教授的大力支持，以及北京大学分子医学南京转化研究院——南京脑观象台提供的微型双光子成像服务。
作者简介
参考文献
[1] WANG F, ZHU J, ZHU H, et al. Bidirectionalcontrol of social hierarchy by synaptic efficacy in medial prefrontal cortex[J]. Science, 2011, 334(6056): 693-7.
[2] ZHOU T, ZHU H, FAN Z, et al. History ofwinning remodels thalamo-PFC circuit to reinforce socialdominance [J]. Science, 2017, 357(6347): 162-8.