【Science】重磅：杏仁核神经元群体编码行为状态机制
对周围环境的感知适应及行为变化是动物生存的关键[1]，比如，体内平衡（饥饿和口渴）及由厌恶或食欲体验引起的情感状态均与感知和激素的反应有关，这些反应会导致不同的行为输出。先前的研究表明，大脑皮层[2]及其相关神经环路[3]的功能与机体状态有关，可以诱导行为的快速转变[4]。机体的内部状态是由大脑网络特定神经元的不同活动模式来编码的[5]。
基底外侧杏仁核（BLA），尤其是基底核（BA），是调节情感、体内平衡和社会行为的大脑中枢。BA在功能上与驱动特定行为输出的运动通路[6]、处理结果预期刺激的丘脑和皮层感觉区域[7-8]以及感知和调节行为相关激素和神经调节器的大脑中心[9]有关。然而，BA神经元群是如何编码这些行为状态的仍然未知。
2019年4月19日，《Science》杂志在线刊登了巴塞尔大学Jan Gründemann教授的最新重要工作[10]，他们发现BA中两类主要的、不重叠的投射神经元亚群活动水平的相对变化，他们编码预期探索性，非探索性及防御状态之间的行为转变。此外，还发现杏仁核分别编码外部刺激和内部状态，并通过几个输出通路向大脑网络发送信息。
Jan Gründemann教授
图片来源：巴塞尔大学官网
结果
1、旷场实验中杏仁核活动情况
首先，作者在小鼠基底杏仁核（the basal amygdala, BA）中注射AAV-CaMKⅡ-GCaMP6f，同时埋入自聚焦透镜（GRIN lens），并在颅骨上连接微型荧光显微镜来观察在三种连续且不同的行为学范式（旷场实验、高架迷宫及巴甫洛夫恐惧条件反射实验）中自由活动小鼠BA投射神经元Ca2+荧光强度变化情况（图1A,B）。
在旷场实验中（the open-field, OF），小鼠的趋避性导致其进入新环境后主要在外围区域活动，即“贴墙”活动，然而，小鼠的探究特性又促使其产生在中央区域活动的行为（图1C,D）。作者借助钙离子成像技术观察了在OF探索过程中鼠BA CaMKⅡ阳性神经元Ca2+活动情况，结果发现，BA神经元表现出不同的活动模式，包括离散的Ca2+瞬态变化以及Ca2+相关荧光强度的缓慢变化，且单BA神经元的平均空间响应模式范围从非特异性到区域偏向活动时，会优先发生在小鼠处于OF区域的外围（角落调制细胞）或中央区域（中央调制细胞）时（图1H,I）。
图1 自由活动小鼠在探索过程中BA区脑部成像
随后，他们根据小鼠处于角落和中央区域时神经元Ca2+活性的差异对神经元的面积偏差进行量化，并将超过选定阈值的神经元定义为区域调制神经元（图2A,B）。结果发现，在整个BA神经元群中，角落调制神经元和中央调制神经元在比例上是相似的，且在空间上呈混杂分布，无明显的局部聚集（图2C,D）。
作者进一步研究了小鼠在中央区域和角落区域过渡期间的神经元反应动力学，分析发现，当空间转换进入或离开角落区域时，小鼠脑内BA中一大群神经元要么被激活（ensemble1），要么被抑制（ensemble2）。通常情况下，ensemble1细胞在进入角落区域时被激活，并与角落调制细胞重叠，而ensemble2细胞在离开角落区域时被激活，并与中央调制细胞相对应（图2F-I）。
图2 大量BA神经元在空间上受调制
2、高架十字迷宫实验中杏仁核活动情况
接下来，为了研究上述BA群体编码的原则是否适用于不同情境下的探索行为，作者在高架十字迷宫（elevated plus maze, EPM）实验中对相同的BA投射神经元进行了成像观察（图1B,3B）。他们假设BA投射神经元的区域调制特征在EPM中也有类似的现象，即角落调制细胞在小鼠停留于EPM闭臂中时可能更活跃，而中央调制细胞在开放臂探索时可能表现出更高的活动水平。
行为学上，小鼠的嗜暗天性使其在闭臂活动，然而小鼠探究新环境的习性又促使其离开闭臂进入开臂，此外，小鼠还进行了所谓的低头行为，即在EPM开臂的边缘进行短暂的视觉观察（图1E,F）。钙离子成像技术观察发现，角落调制细胞的平均活性在小鼠首选的闭臂中降低；中央调控细胞的活性则增加。然而，一旦小鼠离开闭臂进行EPM探索行为，角落调制细胞和中央调制细胞的活性水平发生逆转，即角落调制细胞Ca2+荧光强度增加，中央调制细胞Ca2+荧光强度降低。（图3B-F）。这表明角落调制细胞的活性与EPM实验中小鼠在非首选的闭臂和开臂中的探索行为有关。
为进一步验证这一观点，他们分析了小鼠在开臂边缘的低头行为（一种典型的探索性低焦虑行为[11]）时角落调制细胞和中央调制细胞的活动。结果发现，小鼠进行低头行为时，角落调制细胞被强烈的激活，而中央调制细胞被抑制（图3G-I）。
图3 角落调制和中央调制细胞编码探索行为
3、杏仁核群体编码行为状态的一致性
进一步，作者对行为状态之间的转变在神经元群体上的编码情况进行分析，首先，他们按上述OF行为学实验中将神经元群体进行分类（图4A,2G），随后，他们分析了这三个集合在不同行为转变上的活动情况，发现，ensemble1神经元编码与探索性相关的行为状态，ensemble1神经元不仅仅在OF实验中小鼠进入角落区域被激活，也在EPM实验中小鼠在进行开臂边缘低头行为时被激活，而ensemble2神经元则表现出相反的活动调节模式。此外，作者同样对单个神经元响应进行分析，发现了类似的结果（图4）。
图4 BA神经元群体编码行为状态的一致性
4、BA神经元群正交编码行为状态和感觉刺激
最后，作者研究了BA神经元中编码行为状态的群体与编码感官刺激的群体之间的关系。他们采用经典的巴浦洛夫恐惧条件反射实验行为学范式（图5A），发现非条件刺激（US）响应的本身不与任何被测试的行为状态有关，即US特征与特定的行为状态没有联系（图5C）。且恐惧条件反射实验后，CS+-响应神经元与恐惧消退启动抑制的神经元重叠较多，这些神经元通常是通过探索性行为进行激活的（类似于ensemble1），而与恐惧消退启动抑制的神经元重叠较少（图5）。
图5 感官刺激和行为状态的正交编码
结论：
本篇文章通过行为学、钙离子成像技术等方法对自由活动小鼠不同行为模式下BA投射神经元的活动进行观察。他们的研究发现BA中两类主要的、不重叠的投射神经元亚群编码预期探索性，非探索性及防御状态之间的行为转变。此外，还发现杏仁核分别编码外部刺激和内部状态，并通过几个输出通路向大脑网络发送信息，这些信息可能与大脑状态的不同方面有关，包括焦虑、觉醒、感觉处理和行为选择。
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参考文献：
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