客户文章丨冷泉港李波团队发现岛叶介导动机的神经机制

导  语

岛叶是与意识和情绪相关的高级脑区，岛叶藏于大脑外侧沟的深部，呈圆锥形，作为皮质的一部分，由于周围的皮质发育较快，岛叶的皮质遂被包埋于深部，同时被顶、额、颞叶所覆盖。大量科学研究认为其功能可能与内脏自主神经等有关，研究人员同时发现这一脑区不仅参与处理味觉等感觉信息，也具有调控情感和认知行为的功能。作为脑机接口，意识控制，情绪调节等热门应用的重要神经科学理论基础，2020年对于岛叶的研究论文达到了258篇。

岛叶皮层(insulant cortex, IC)，尤其是前岛叶皮层(anterior IC, aIC)在整合内感受和外感受信息到行为的认知和动机控制中发挥着关键作用。与此同时，早期研究发现岛叶损伤的中风病人出现严重的动力下降、烟瘾减弱甚至消失等症状；aIC功能障碍与抑郁等情绪障碍，心理和精神疾病密切相关。例如，激活aIC神经元会产生正效价和食欲反应。然而，aIC神经元的激活也会产生负效价和厌恶反应。这些研究有力地说明了aIC在动机相关过程中的作用。鉴于学习、效价和动机是可分离的过程，其具体的神经环路基础仍不清楚。

北京时间2021年12月10日凌晨0时，美国冷泉港实验室李波研究组在Cell在线发表题为“A genetically defined insula-brainstem circuit selectively controls motivational vigor”的研究论文，揭示了岛叶皮层神经元介导动机行为的神经基础。

本研究作者使用Fezf2-CreER小鼠特异性地标记了位于岛叶皮层深层的一群神经元，并通过埋置Grain lens单细胞水平在体钙成像观察这群神经元的钙活动变化。通过给老鼠提供蔗糖和奎宁溶液来检测个体神经元对甜味和苦味的反应。发现：一大批神经元同时被蔗糖和奎宁刺激，而另一大批则被两种味道剂所抑制。因为在不同的试验中，老鼠的舔舐率表现出明显的差异，这一现象反映了小鼠动机的波动。表明aIC^Fezf2神经元的一个主要群体参与了舔舐的强度或动力，而不是味觉或与舔舐相关的运动。

那么，如果aIC^Fezf2神经元代表动作活力，则其反应应依赖于动物的动机状态。为了验证这一预测，作者在一个寻求奖励的任务中训练这些老鼠，在这个任务中，小鼠通过听到条件性声音刺激（conditioned stimulus）时进行舔水管来获得相应奖赏。通过调节行为学参数或者小鼠生理状态（小鼠的渴水程度、奖赏的大小或对小鼠进行限盐），作者可进一步操控小鼠获取奖赏动力的强弱。结果表明，aIC^Fezf2神经元反应受动作活力、稳态需求和预期结果值的强烈调节。进一步的光遗传抑制实验证实了这群神经元对于小鼠舔水的动机至关重要，而对舔水的动作并无影响。特别是，这些神经元代表了对结果的预期，以满足动物不断变化的需求，即使这样的结果——比如高钠的预期预期是不愉快的。因此，aIC^Fezf2神经元将学习到的预测信号与体内平衡需求的信息整合在一起，代表预期和动机活力。

图一. aIC^Fezf2神经元活性受动作活力和动机状态的调节

为了进一步研究aIC^Fezf2神经元如何获得预期信号并参与建立动机性行为，作者试图在“去/不去”(‘‘go/no-go’’ task)任务的学习过程中成像这些神经元的活动。研究发现训练显著增加了对CS_SU（一种声音刺激）表现出兴奋反应的神经元，并有增加对CS_SU表现出抑制反应神经元的趋势。训练也增加了对蔗糖反应的神经元，尤其是那些表现出抑制反应的神经元。但是在整个训练过程中，只有很少的神经元对CS_QU（另一种声音，意味将提供奎宁液体）有反应。结果表明：训练从根本上改变了aIC^Fezf2神经元的反应，使得对奖励提示的反应与对实际奖励的反应相匹配。同时学习诱导了强大的预期反应，这种预期反应是特定于奖励的，可用于指导或激发寻求奖励的行为。

如果aIC^Fezf2神经元的作用是激活行为，那么它们的预期活动就会比被激励的行为发生得更早，与被激励的行为相关，并且是被调控的。通过考察寻求奖励任务和“去/不去” (‘‘go/no-go’’ task)任务中神经元和行为反应之间的关系，即在口渴或低钠小鼠期待蔗糖或氯化钠溶液的时间窗口内，通过对时间和行为的相关性分析：大多数CS-兴奋的神经元比舔舐开始时反应更早。此结果与aIC^Fezf2神经元可能提供激励或鼓励寻求奖励行为的信号的概念是一致的。

图二. 学习诱导对动机行为至关重要的预期信号

那么这群岛叶神经元是通过哪条神经环路介导动力呢？作者追踪了这群神经元的下游神经环路，发现其中一个特异的投射脑区是位于脑干的孤束核(NTS)。孤束核传统上被认为是往大脑传递味觉信息的中继站。作者通过光遗传学方法探讨了aIC^Fezf2 → NTS的功能。在光刺激表达有ChR2的小鼠中，不仅在“go”试验，而且在“not go”试验中，都引起了CS呈现后舔舐率的增加。令人惊讶的是，通过光遗传操控，作者发现激活岛叶Fezf2神经元到孤束核这一神经环路可显著增强小鼠舔水的动力。如果训练小鼠在滚轮上跑动获得奖赏，光遗传激活这一环路同样能增加小鼠跑动的动力；光遗传抑制这一环路则会分别减弱小鼠舔水或者跑动的动力，而不影响小鼠的运动能力。结果表明：aIC^Fezf2→NTS活动激活了习得的、预期的舔舐反应，以获得稳态需求；然而，它不会覆盖饱腹信号或自动激活运动程序来产生舔食行为。

为了确定aIC^Fezf2 → NTS是否只参与舔舐，作者训练小鼠执行上述RFR(‘‘run-for-reward’’)任务，并在预期窗口期间光激活aIC^Fezf2 → NTS，进一步的实验发现操控这一环路的神经活动并不会影响小鼠的进水量、摄食量，以及对于奖赏的价值编码。通俗来讲，aIC^Fezf2 → NTS激活了“需求寻求”，但不会推翻体内平衡或自动导致行动产生。这些结果强烈提示aIC^Fezf2 → NTS实现了aIC^Fezf2神经元的激活功能，促进了动机行为的努力。

图三. aIC^Fezf2 → NTS激活促进动机活力和努力

在奖赏大小可变的奖赏寻求任务中，许多aIC^NTS神经元在大奖赏试验中的预期反应(兴奋或抑制)比小奖赏试验中的更大。有趣的是，作者还发现岛叶Fezf2神经元到孤束核这一神经环路对动力的调节作用受个体内在状态、外在奖赏刺激的价值大小以及学习经验影响。当小鼠处于温饱状态、奖赏刺激价值小或者小鼠还未学会获得奖赏时，光遗传激活这一环路对动力行为的调控能力很弱。

为了定位可能介导NTS受体神经元功能的下游靶点，作者用GFP标记这些神经元，发现：NTS受体神经元可以通过直接投射到RRF或VTRZ或通过PBN间接途径影响多巴胺神经元的功能。以前的研究发现伏隔核也参与调控动力，那么Fezf2神经元对动力的调控作用是否是通过影响伏隔核而实现的呢？通过同时进行光遗传激活实验和光纤记录伏隔核的多巴胺信号，作者观察到的多巴胺释放的增强不会因为小鼠的舔舐而增加（增强岛叶Fezf2神经元到孤束核神经环路的活性可以增加多巴胺在伏隔核的释放），但这一增加的效果只在小鼠处于迫切需要（口渴状态）时明显，而当小鼠处于温饱状态时并不显著。

图四. aIC^Fezf2 → NTS激活促进NAc多巴胺需求依赖释放

这一研究揭示了岛叶参与调控动力的具体神经环路机制。aIC^Fezf2神经元及其突触后NTS神经元通过学习获得预期活动，编码感知价值和行动活力，以追求稳态需求。抑制或激活岛叶到孤束核这一神经环路可以特异减弱或增强个体的动力，而不影响对奖赏的价值编码和摄食进水行为，这些特点与传统的控制动力的神经环路有很大区别。aIC→NTS电路在选择性控制动机活力方面具有特殊的功能。该发现为成瘾、抑郁症等相关精神疾病的治疗提供了一个全新的方向和线索。

美国冷泉港实验室李波教授与博士后邓菡菲为本文的共同通讯作者。博士后邓菡菲和肖雄为文章的共同第一作者。该研究得到了李波教授的长期合作者Z. Josh Huang （黄佐石）教授（Duke University）， 李毓龙教授（北京大学），Kimberly Ritola研究员（HHMI Janelia Research Campus），和Adam Hantman教授（HHMI Janelia Research Campus）的大力帮助。

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产品介绍

在本研究中，研究者使用了在体钙信号成像、光遗传学、病毒标记策略、光纤记录以及丰富多样的小鼠定量行为学范式。作为国内第一家智能光遗传设备设计者，纽顿科技以稳定可靠的各类耗材在调控动力行为的神经环路研究中发挥重要作用。

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企业简介

作为全球顶尖的生命科学产品及解决方案的研发和生产商，佳量医疗旗下神经科学品牌 -纽顿科技 (NEWDOON INC)从实验室走出，又回到实验室，产研结合，始终以领先的技术和创新能力为核心，开发实验室尖端仪器。从最早期的有线光遗传学系统起步，逐步研发出了无线光遗传系统，光纤记录系统，不仅填补了国内外多项技术空白，也成为全球同行业中领军的企业。纽顿科技以脑科学研究为核心发展方向，通过与高校合作，带给科研人员全新的实验体验，实验效率大大提高。