【Nat Neurosci.】疫情当前，下丘脑室旁核助你如何抉择！

应对危机，如何抉择至关重要，积极防御或消极应对势必对结果产生不同影响。面对危机，生物体会从一系列先天行为中做出选择，抑或是根据以往的经验来优化决策。先前成功可控的经验有助于未来应对危机时做出正确积极的策略，而应对危机时一些不可控的失败经验则更可能导致未来出现习得性无助或适应不良现象[1]。那么，大脑中负责驱动应对危机的不同决策的神经机制是怎样的？大脑又是如何解读先前应对危机的经验并对其之后的决策行为产生影响的呢？目前尚不明确。

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2020年2月17日，《Nature Neuroscience》杂志在线发表了加拿大卡尔加里大学Jaideep S. Bains教授的最新研究结果[2]。他们发现在威胁压力逐渐逼近时，下丘脑室旁核内促肾上腺皮质激素释放激素阳性（CRH^PVN）神经元的活性显著增强。作者还发现可控性训练可改变CRH神经元活性，进而改变其在后续不同危机场景中的防御策略。本篇文章阐释了面对危机时机体产生不同防御行为的神经机制，为深入理解防御行为及危机决策提供了新的思路。

Jaideep S Bains, Ph.D.

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结果

1. CRH^PVN神经元调控了面对威胁（阴影逼近）时的防御行为

首先，作者通过一种模拟天敌的实验范式探究了小鼠应对威胁时的先天性防御措施。该范式中，黑色阴影会出现在小鼠上空，此视觉刺激模拟了天空中逐渐逼近的天敌。在8s的试验中，前3s保持静态，接下来的2s里逐渐扩大，最后在最大尺寸状态下保持3s。实验当天，小鼠会经历5次8s的试验，相邻试验间隔1min。小鼠对每次试验的行为反应被分为三类，即逃跑、僵直、无应答。由于实验室小鼠先前并无这样的经历，因此它们的反应将被视为先天性的防御反应。

实验结果显示，小鼠对这种逐渐逼近的威胁产生了积极的防御反应，即逃跑至庇护物下的倾向性高于僵直或无应答（图1a-h）。为了确定CRH^PVN神经元是否参与面对威胁时的行为决策，作者在Crh-IRES-Cre; Ai14转基因小鼠中注射AAV-DIO-Arch3.0-eYFP病毒，从而在CRH^PVN神经元中特异性表达抑制型光敏感蛋白Arch3.0（图1i-l）。结果显示，在整个阴影逼近实验中给予黄光刺激，表达Arch3.0的实验组小鼠的逃跑率显著下降，而僵直率显著上升（图1m-o）。该结果表明，CRH^PVN神经元活性参与了阴影逼近实验中，小鼠被动或主动防御策略的调控。

图1  CRH^PVN神经元调控了面对威胁（阴影逼近）时的防御行为

2. 在逐渐逼近的威胁中，CRH^PVN 神经元的活性增强

作者在Crh-IRES-Cre; Ai14转基因小鼠中注射AAV-DIO-GCaMP6s病毒，从而在CRH^PVN神经元中表达钙指示蛋白，同时埋入光纤以记录钙信号（图2a-d）。结果显示，在阴影出现及后续扩大过程中，神经元活性显著增加（图2e-g）。而针对每一次试验来看，若结局是逃跑，那么在阴影扩大阶段，钙信号明显上调，若结局是僵直，则阴影扩大阶段钙信号无明显上调，但在阴影扩大到最大尺寸时钙信号会上调（图2h-i）。上述结果表明CRH^PVN神经元活性的改变参与了阴影逼近实验中逃跑行为的发生。

图2  CRH^PVN的神经元活性在逐渐逼近的威胁中增强

3. 在应对逐渐逼近的威胁时，CRH^PVN 神经元为最终的逃跑反应做出了准备

为了进一步探究逃跑行为与神经元兴奋性的时间先后问题，作者采用了人工及机器判定两种方法来量化逃跑行为的开始时间，同时计算出在整个试验中钙离子水平第一次超过平均绝对离差两倍时的时间点，以此来反应神经元活性增加的第一个拐点。通过比较发现，神经元兴奋性的增加早于实际逃跑行为的启动（图3a-c）。进一步分析发现在结果为逃跑的试验中，逃跑之前，CRH^PVN神经元活性在逐渐增高，一旦动物到达庇护物下时，神经元活性逐渐下降（图3d-f）。另外，通过光遗传学技术仅在神经元活性逐渐增高期（即试验前5s）抑制其活性，即可改变逃跑的防御行为（图3g-i）。这些结果表明CRH^PVN 神经元活性的改变或许帮助了逃跑行为的发生。

图3  在应对逐渐逼近的威胁时CRH^PVN 神经元为最终的逃跑反应做了准备

4. CRH^PVN 神经元活性与其他先天性逃跑行为间的关系

作者进一步又在其他三种不同的行为范式上进行实验。首先是实验人员靠近并抓起鼠这个行为。该方法模拟了阴影实验，但又有两个不同，第一，实验中不再设有庇护物，第二实验人员抓起了小鼠，小鼠无法逃跑。结果与阴影实验类似，在实验人员的手靠近的时候，CRH^PVN神经元的活性显著增加，而当小鼠被抓起时，活性的增加更为显著（图4a-b）。然后进行了悬尾实验，该实验所引起的逃跑行为不是由视觉刺激引起的，且该危机与逐渐逼近的威胁模式有所不同。他们发现，小鼠每一次企图逃跑的挣扎行为都伴随着CRH^PVN神经元活性的增加，进一步分析发现在每个逃脱开始前CRH^PVN神经元活动都会增加（图4c-f）。最后，为了排除是否CRH^PVN神经元活性增强只是与运动活动的增加相关，作者观察了小鼠在母笼中由静态转为运动时神经元活性的改变，并未发现明确关系（图4g）。上述结果表明，CRH^PVN神经元为最终的运动反应做出的准备是有意识的，其目的是逃避威胁。

图4 CRH^PVN神经元活性与其他先天性逃跑行为间的关系

5. 压力可控性训练影响了行为并改变了谷氨酸突触的可塑性

啮齿类动物除了会根据之前的经验而在后续实验中产生不同的行为策略以外，它们在不相关的环境下进行一些工具训练后，所表现出的防御逃跑行为也会发生变化。在可以自主控制结局的训练后，例如电击与声音相匹配，啮齿类动物后续的逃跑行为会根据听到的声音作为提示提前做好逃跑准备，因而防御行为更加积极；而在无法自主控制结果的训练之后，例如电击与声音无任何关系，其后续的防御行为也会更加消极[1,3]。为了探究这种压力可控性训练对CRH^PVN神经元活性以及先天的、未习得的防御行为的影响，作者采取了5s的声音刺激后进行3s的足部电击，压力可控组的小鼠可以通过跑至穿梭箱的另一端而结束电击，压力不可控组的小鼠则无法改变结局。每个组每天进行20次试验，连续3天（图5a-b）。作者发现，在连续3天的训练中，压力可控组的小鼠穿梭行为次数逐渐增多（图5c）。另外，在第2、3天，压力可控组的小鼠的僵直时间也比不可控组的短（图5d）。接下来，作者使用膜片钳电生理方法全细胞记录CRH^PVN神经元，发现两组神经元的内在兴奋性或自发突触活动均无明显差异。但在最后一次训练后24小时，压力不可控组的活性依赖性突触再可塑性较为明显，而压力不可控组则不明显（图5e-h）。这些突触特性的变化也进一步证明了压力暴露对CRH^PVN神经元的调动并对其产生了一定的影响。

图5  压力可控性训练影响了行为并改变了谷氨酸突触的可塑性

6. CRH^PVN神经元编码压力可控性

接下来作者通过钙信号光纤记录探究了压力可控性训练对CRH^PVN神经元在体水平的直接影响。他们检测了在声音刺激之前，只有声音刺激时，以及同时给予声音和电击刺激时神经元的活性。作者分析发现，在第一天的训练之后，只有压力可控组在声音刺激期间的神经元活性会增强，且会随着训练天数的增多而进一步增强。但在非控制组则无这样的现象（图6）。观察结果表明，CRH^PVN神经元可以对压力可控性训练经历进行编码和转译，进而影响最终逃跑行为的变化。

图6  CRH^PVN神经元编码压力可控性

7. 可控性经历改变了小鼠的防御策略

为了探究压力可控性训练所引起的神经元兴奋性改变是否也会对其他压力威胁状态下的防御措施产生影响，作者在压力控制性训练结束48小时后，将小鼠放入一个新的环境中，给予与之前相同的声音刺激，结果显示压力可控组小鼠的CRH^PVN神经元活性增高，而非控制组无明显增高（图7a-b）。他们还发现，这些经过训练的小鼠在一周后的阴影逼近实验中也会出现类似的现象，压力控制组的小鼠的CRH^PVN神经元会在阴影出现、扩大时会出现活性增高而压力非控制组的小鼠不会。在阴影扩大的末期阶段，压力可控组的小鼠的CRH^PVN神经元活性较不可控组高，且可控组小鼠的逃跑率更高（图7c-e）。而在不可控组内部，最终结果是逃跑的小鼠，其CRH^PVN神经元活性在阴影扩展期的末期比最终结局是僵直的活性更高（图7f-h）。这些现象显示可控性的压力训练会改变CRH^PVN神经元的活性并进而改变在接下来不同压力威胁中的防御策略。

图7  可控性的经历改变了小鼠对提示和阴影的应答并最终产生了具有倾向性的防御策略

总结

面对压力威胁时，压力可控性的经验与不可控的经验对我们未来在新的挑战抉择中的行为产生了重要影响，但对于压力可控性究竟如何改变未来不同情形下行为决策的脑神经机制，我们知之甚少。本文结合转基因小鼠、钙信号光纤记录、光遗传学、行为学等技术手段，揭示了下丘脑室旁核CRH神经元在威胁逼近时对不同决策的驱动机制，并阐明了压力可控性事件对后续决策产生的影响及室旁核CRH神经元在其中发挥的重要作用。这项研究为我们深入理解应对压力威胁时的行为决策提供了新的理念。

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参考文献

1. Maier, S. F. Behavioral control blunts reactions to contemporaneous and future adverse events: medial prefrontal cortex plasticity and a corticostriatal network. Neurobiol. Stress 1, 12–22 (2014).

2. Núria, Daviu., et al., Paraventricular nucleus CRH neurons encode stress controllability and regulate defensive behavior selection. Nat Neurosci (2020).

3. Maier, S. F. & Watkins, L. R. Stressor controllability and learned helplessness: the roles of the dorsal raphe nucleus, serotonin, and corticotropin-releasing factor. Neurosci. Biobehav. Rev. 29, 829–841 (2005).