【Cell】吃货的福音！海马-伏隔核通路带你重温全上海美食！

熙熙攘攘，车水马龙，外滩的洋房让人在这座城市中迷惘，绚丽的霓虹灯凸显着东方明珠的辉煌。提到魔都上海，除了浓油、赤酱、弄堂、旗袍、夜生活，怎么能少的了遍布路边街角的特色美食呢！

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然而，在大快朵颐之后，若不借助手机定位，我们常常会忘记这些特色美食所处的具体方位。过去的研究表明，背侧海马椎体神经元参与应激行为的空间记忆功能[1]，伏隔核（Nucleus accumbens, NAc）参与奖赏相关的动机行为[2]。美食是一种奖赏性刺激源，那么与食欲相关的空间记忆是否与海马、NAc这两个脑区相关呢？我们尚未可知。

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2019年02月14日，《Cell》杂志在线刊登了牛津大学David Dupret教授的最新重要工作[3]，他们发现背侧海马CA1亚区（dCA1）与伏隔核两种类型神经元之间的投射连接与食欲空间记忆的重提取密切相关。该研究首次揭示食欲空间记忆的精细环路机制，极大提高了人们在空间记忆领域的认知。

David Dupret教授

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结果

1.dCA1投射到NAc两种类型神经元

首先，为研究背侧海马与NAc之间的功能联系，作者探究dCA1椎体神经元是否投射到NAc，他们在CamKII-Cre小鼠dCA1中注射AAV-DIO-ArchT-GFP以标记dCA1椎体神经元，发现NAc脑区中存在大量GFP⁺投射纤维（图1A-D）。此外，电镜结果显示，NAc中型多棘神经元（Medium spiny neuron, MSN）与无棘快闪中间神经元（Fast-spiking interneurons, FSI）树突均与dCA1椎体神经元轴突形成非对称性突触（图1E-G）。

图1 dCA1与NAc两种类型神经元形成单突触连接

2.食欲空间记忆需要dCA1-NAc环路神经活性

接着，作者使用在体电生理记录方法，在CamKII-Cre小鼠dCA1中注射AAV-DIO-ArchT-GFP，在小鼠dCA1埋置光电极，在NAc埋植光纤，进行一天条件位置偏好范式，使小鼠将空间环境与糖水奖赏形成记忆关联（图2A-C）。他们发现，小鼠探索糖水一侧时，其dCA1锥体神经元呈集体发放模式（图2D）。此外，在条件位置偏好测试期光抑制dCA1椎体神经元或光抑制dCA1-NAc环路会显著降低dCA1锥体神经元发放的集体性，从而减少小鼠对糖水一侧的偏好性（图2E-M）,表明dCA1锥体神经元的集体发放参与食欲空间记忆的重提取，dCA1-NAc环路调控上述功能。

图2 食欲空间记忆需要dCA1-NAc环路神经活性

3.dSub-NAc环路与dCA1-dSub环路不参与食欲空间记忆

了解dCA1-NAc环路参与食欲空间记忆重提取过程后，作者就此二脑区其他环路展开进一步研究。他们使用相同的病毒注射方法，在CamKII-Cre小鼠的上游脑区注射AAV-DIO-ArchT，在下游脑区植入光纤以研究dSub-NAc环路、dCA1-dSub环路在食欲空间记忆范式中的功能，发现光抑制这两条神经环路并不影响小鼠对糖水一侧的偏好性（图3），表明此二环路不参与食欲空间记忆。

图3 食欲空间记忆不需要dSub-NAc环路和dCA1-dSub环路的神经活性

4. dCA1投射驱动NAc脑区MSN与部分FSI

从上文中我们得知，dCA1椎体神经元投射到NAc中MSN与FSI（忘记FSI是什么的同学请看第一段最后一句话^_^），那么dCA1椎体神经元放电是否对NAc两种神经元产生影响呢？作者就此展开研究。

作者在CamKII-Cre小鼠dCA1注射AAV-DIO-ArchT，在dCA1与NAc中均埋植光电极，通过放电特征分辨记录神经元的细胞类型（图4A-B）。他们发现光抑制dCA1-NAc环路显著降低部分NAc FSI发放频率，稍微降低NAc MSN发放频率（图4C-E）。此外，NAc FSI对dCA1放电产生反应性发放，而MSN无任何反应（图4F-G）。表面dCA1椎体神经元的放电对NAc FSI与NAc MSN均有影响，前者影响更大。

为进一步验证上述影响，作者在CamKII-Cre小鼠dCA1注射AAV-DIO-ChR2，在NAc埋植光电极，发现光激活dCA1椎体神经元在NAc的轴突引起部分NAc FSI强发放，引起NAc MSN弱发放（图4H-K）。

图4 dCA1投射驱动NAc脑区MSN与部分FSI

5. dCA1椎体神经元与NAc PV⁺ FSI形成特异性突触连接

过去的研究表明，NAc FSI为表达小清蛋白（PV）的抑制性中间神经元，它们介导dCA1对NAc的调控[4]。电镜结果显示，NAc中PV⁺ FSI轴突与MSN胞体、树突之间形成非对称性突触（图5A）。其次，作者在PV-Cre小鼠NAc中注射AAV-DIO-ChR2并植入光纤，发现PV⁺ FSI放电速度很快且可以降低MSN的发放水平（图5B-G）。再次，dCA1椎体神经元轴突末梢分布于NAc富含PV⁺ FSI的喙侧，而不是在富含钙网膜蛋白阳性（CR⁺）神经元的尾侧（图5H-P）。此外，电镜结果显示，dCA1椎体神经元轴突与NAc中PV⁺ FSI胞体、树突形成非对称性突触（图5Q-U）。

图5 NAc PV⁺ FSI接受dCA1椎体神经元单突触连接

6. dCA1椎体神经元前馈抑制MSN

接下来，为研究 dCA1-NAc MSN与dCA1-NAc FSI投射的功能差异，作者在PV-Cre小鼠的dCA1注射AAV-CamKII-ChR2，在NAc中注射AAV-DIO-tdTomato，通过膜片前电生理方法记录NAc PV⁺ FSI以及附近的MSN，发现光激活dCA-NAc投射可引起NAc中FSI与MSN产生兴奋性突触后电位（EPSP），其中FSI的EPSP幅度更高，延迟更短，双脉冲比值更高（图6A-G）。增加光激活强度后，FSI可产生动作电位，而MSN不能产生，此现象可能由更高的静息膜电位与更高的输入电阻所致（图6H-J）。此外，光激活dCA1-NAc投射即可引起MSN产生兴奋性突触后电流，也可引起MSN产生抑制性突触后电流（图6K-L），表明dCA1-NAc投射很可能存在前馈抑制机制。

图6 dCA1椎体神经元驱动NAc、MSN并前馈抑制MSN

7. 食欲空间记忆重提取需要接受dCA1投射的NAc PV⁺ FSI

最后，为研究dCA1椎体神经元是否经由NAc中PV⁺ FSI调节MSN发放水平以调控食欲空间记忆的重提取，作者在PV-Cre小鼠的dCA1中注射顺突触表达的AAV1-DIO-Flpo，在NAc中注射AAV-fDIO-ArchT并植入光纤，使ArchT特异性表达于接受dCA1投射的NAc PV⁺ FSI（图7A-D），发现在条件位置偏好测试期光抑制上述神经元显著减少小鼠对糖水一侧的偏好性（图7E-H）。

此外，作者发现，小鼠重提取食欲空间记忆时NAc MSN集合发放，但光抑制接受dCA1投射的NAc PV⁺ FSI显著降低上述发放水平。作者还引入广义线性模型，得到相同结论（图7I-M）。

图7食欲空间记忆重提取需要接受dCA1投射的NAc PV⁺ FSI

总结

在车水马龙的大上海，饱餐之后我们也需要记住这些提供我们味觉享受的具体位置，方便我们再次体会这人间天堂的幸福感。但是，对于食欲空间记忆在环路水平方面的调控机制，我们知之甚少。本篇文章结合光遗传学、电生理、行为学、电镜成像等多种方法，发现dCA1椎体神经元通过投射到NAc PV⁺ FSI以调控MSN群体发放水平，从而重提取食欲相关的空间记忆（图8）。这项研究揭示了参与食欲空间记忆重提取的新神经环路及其相关机制（图8），此环路有利于自然界中动物们觅食与生存，也更有助于我们重温美食带来的幸福感！

图8 调控食欲空间记忆的神经环路示意图

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参考文献

1.Moser, E.I., M.B. Moser, and B.L. McNaughton, Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Nat Neurosci, 2017. 20(11): p. 1448-1464.

2.Carelli, R.M., The nucleus accumbens and reward: neurophysiological investigations in behaving animals. Behav Cogn Neurosci Rev, 2002. 1(4): p. 281-96.

3.Trouche, S., et al., A Hippocampus-Accumbens Tripartite Neuronal Motif Guides Appetitive Memory in Space. Cell, 2019.

4.Tepper, J.M., et al., Heterogeneity and diversity of striatal GABAergic interneurons. Front Neuroanat, 2010. 4: p. 150.