两年内发表2篇Cell, 1篇Nat Neurosci，1篇Neuron，李波团队聚焦神经环路，硕果累累
李波教授【简介】
2003年毕业于加拿大不列颠哥伦比亚大学，获博士学位。2003-2008年在冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory, CSHL）从事博士后研究；2008-2013年在CSHL任助理教授；2013年至今任CSHL教授，实验室的研究重点是了解神经环路与行为之间的联系，尤为侧重于探究行为方面的突触与环路机制，例如注意力、动机、学习与记忆。曾获得美国精神卫生研究所创新新科学家生物行为研究奖（Biobehavioral Research Awards for Innovative New Scientists (BRAINS), National Institute of Mental Health）、美国精神分裂症和抑郁症研究协会2010年青年研究员奖（NARSAD 2010 Young Investigator Award, National Association for Research on Schizophrenia And Depression ）、温伯特赫尔卓越教学奖（Winship Herr Award for Excellence in Teaching）、2015年NARSAD独立研究员奖（NARSAD 2015 Independent Investigator Award）、James M.和Cathleen D. Stone教师奖（The James M. and Cathleen D. Stone Faculty Award）在内的多个奖项。
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Neuron：聚焦腹侧苍白球，冷泉港李波团队揭秘大脑平衡压力和疼痛的新机制
当我们的大脑接收外界信息并用它来指导我们的行为时，会遵循两个关键的原则来指导我们所做的选择，这两个原则分别是：寻求快乐和避免痛苦。冷泉港实验室（CSHL）的研究人员聚焦于老鼠大脑中的一个信息处理中枢，来探究位于该位置的神经元是如何分工合作，处理这些对立的行为动机的。
他们的研究报告发表在2019年12月31日的《Neuron》杂志上，研究表明积极和消极的动机是由不同类别的神经元控制的，这些神经元会沿着共享的动机加工脑回路发送相反的信号。领导这项研究的CSHL教授Bo Li（李波）教授说，这两组细胞之间最终的动态平衡，可能决定一个人是体验寻求愉快的经历，还是体验避免消极的经历。
李波教授想了解大脑的动机加工脑回路，因为这些脑回路控制的行为在精神病患者中通常是有缺陷的。比如说，患有抑郁症的人可能会停止去做那些曾经给他们带来快乐的事情，而患有焦虑症的人可能会采取更多的措施来避免潜在的威胁。
个体识别和应对潜在奖赏和惩罚的能力，在一定程度上取决于大脑中被称为腹侧苍白球的这一部分脑区。在动物寻求奖赏（如:一小口水）或逃避惩罚（如:起干扰作用的送气）时，研究人员在其大脑的这一区域观察到了活动。研究者想了解的是，位于大脑这一区域的不同类型神经元，是如何确保动物对与这两种动机相关的信号做出适当反应的。
图注:CSHL教授Bo Li与其同事监测了单个脑细胞的活动，并用一道闪光识别了这些细胞的类型。在训练老鼠使其能够将某些声音与一小口水或一股空气联系起来之后，他们监测了老鼠腹侧苍白球白球的神经活动。结果发现，那些使用神经递质GABA来抑制影响动机回路活动的神经元，在激励小鼠寻求水的奖励时非常重要。那些使用神经递质谷氨酸来刺激大脑回路的神经元，对于避免送气惩罚是必不可少的
为了进行研究，他的团队使用了能够帮助他们监测单个脑细胞的活动，并通过闪光确认这些细胞身份的研究工具。在训练老鼠使其能够将某些声音与一小口水或一股空气联系起来后，李和他的同事使用这些技术来监测老鼠腹侧苍白球的神经活动。他们发现，那些利用GABA神经递质来抑制影响动机回路活动的神经元，对于激励小鼠寻求水的奖励来说非常重要。另一方面，使用谷氨酸这种神经递质来刺激大脑回路的神经元，对于避免，送气惩罚来讲是必不可少的。
在更复杂的情况下，当动物被赋予潜在的惩罚和奖励时，其两组神经元都会做出反应。老鼠对这些综合刺激做出了不同的选择：例如，口渴的动物比刚喝完水的动物，更愿意冒着被送气的风险喝一口水。但是，如果研究小组通过操纵一类或另一类神经元，人为地改变腹侧苍白球的活动平衡，那么他们的这一操作可能会改变动物的行为。
李波说，抑制或刺激腹侧苍白球神经元的信号之间的平衡，在控制动物的行为动机方面是非常重要的。目前，他迫切地想要了解，究竟精神障碍患者是否也会受到类似的干扰。“抑郁症患者或压力诱发的焦虑症患者的行为改变，可能就是因为这一回路的变化引起的，”他说。
随着新的发现浮出水面，李波的团队对于如何更深入地调查这些疾病的原因和症状有了重要的线索。
参考文献：Opposing Contributions of GABAergic and Glutamatergic Ventral Pallidal Neurons to Motivational Behaviors. Neuron . 2020 Mar 4;105(5):921-933.e5. doi: 10.1016/j.neuron.2019.12.006.
Nat Neurosci：李波团队发现杏仁核惩罚和奖赏行为的新环路机制
2021年10月18日，Nature Neuroscience在线发表了美国冷泉港实验室李波研究组关于大脑调控情感记忆及学习行为的新工作。
该工作阐明了杏仁核到腹侧纹状体的两条神经环路在调控惩罚和奖赏行为以及相关学习中的重要作用。张县博士为该文章第一作者及共同通讯作者。
杏仁核是大脑边缘系统的皮质下中枢，在进化上是一个高度保守的脑区，主要负责处理情感，动机等以及与之相关的各种行为。杏仁核功能的异常与很多心理和精神疾病密切相关，包括应激反应，焦虑，抑郁症等等。杏仁核在结构上包括基底外侧核和中央核，其中基底外侧核由于在细胞类型和发育上类似于大脑皮层，是近些年神经生物学领域的一个研究热点。
基底外侧杏仁核中的神经元如何编码惩罚和奖赏刺激以及如何调控惩罚和奖赏相关的学习记忆在最近十几年内吸引了众多神经科学家的目光。冷泉港实验室李波研究组的张县博士在2018年在Nature Communications上发表的论文通过钙离子信号成像的方法实时检测该脑区神经元的活动，发现条件学习（conditional learning）后基底外侧核的神经元在群体上呈现出神经活动被抑制的现象。这一发现改变了传统理论上认为的条件学习后神经元反应会增强的观点。作者通过群体编码分析进一步发现条件学习后神经元的噪音相关性（noise correlation）显著降低，表明条件学习后基底外侧核的群体神经元通过抑制众多不相关神经元的活动提高信噪比，进而让直接相关的神经元能更精准的编码信息。那么怎么才能找到这些直接编码情感相关的神经元并且通过激活/抑制这些神经元来观察动物的行为呢？
通过与冷泉港实验室著名神经生物学家Z. Josh Huang教授 (黄佐石)合作，张县博士在李波教授的指导下对基底外侧杏仁核表达Fezf2基因的神经元进行了系统性的研究，包括在体单光子钙信号成像，光遗传学，化学遗传学，生理反应检测以及各种行为学方法等手段，发现了分别编码奖赏和惩罚的神经元及其下游神经环路。
Fezf2基因是一段高度保守的基因片段，它编码的转录因子对于兴奋性神经元的发育至关重要。作者首先利用在体单光子钙信号成像技术对于基底外侧杏仁核表达Fezf2基因的神经元进行实时成像，发现这些神经元分为两个大类：一类编码奖赏刺激，另一类编码惩罚刺激。接下来对实验小鼠进行条件学习训练后，发现有更多的神经元参与到条件刺激的编码。
作者然后追踪了这两类神经元的上游和下游神经环路，发现不同的上下游脑区参与到不同的情感信息的编码。最值得关注的是基底外侧杏仁核（BLA）到腹侧纹状体的两条神经通路，分别为：基底外侧杏仁核—伏隔核（BLA-NAc）， 基底外侧杏仁核—嗅结节（BLA-OT）。伏隔核和嗅结节作为腹侧纹状体的两个亚区，传统上一直被认为是情感反应和行为活动的一个中继站。BLA-NAc的神经通路的功能在以往的文献报道中一直存在争议，BLA-OT的环路功能则从来没有被报道过。
图：编码惩罚（红色）和奖赏（绿色）的杏仁基底外侧核神经元。这两类神经元分别投射到伏隔核和嗅结节。
光遗传的实验结果表明，激活BLA-NAc和BLA-OT通路使动物分别表现出逃避惩罚和追求奖赏的行为，同时又都伴随着明显的瞳孔放大。这种行为和生理反应结合起来暗示了这两个通路应该对情感学习也有很重要的作用。为了验证这个假设，作者使用了光遗传学和化学遗传学的方法抑制了这两个通路的神经活动，发现抑制后分别干扰了惩罚学习和奖赏学习。
这一研究为基底外侧杏仁核及其下游神经环路的功能提供了新的认识，为揭示基底外侧杏仁核特定类型的神经元对情绪反应的调控机理提供了重要的数据支持，为基底外侧杏仁核损伤和退化导致的相关精神疾病提供了新的线索。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41593-021-00927-0
Cell重磅：修正传统理论！冷泉港实验室李波团队发现并解析非经典基底神经节环路
基底神经节(Basal ganglia) 是一群位于大脑皮质底下的神经核团，与大脑皮层，丘脑和脑干相连。它的主要功能包括运动控制、强化学习，以及情感动机等高级认知功能。基底神经节的病变可能导致多种运动或认知方面的障碍，包括帕金森症，亨廷顿症和抑郁症等疾病。
纹状体(Striatum)是基底神经节主要的输入性核团，接受来自大脑皮层和丘脑等输入。该脑区主要包括由多巴胺1型和2型受体标记的中型多棘神经元(medium spiny neurons)，分别介导基底神经节运动调控中的两条经典通路：直接通路(direct pathway)和间接通路(indirect pathway)。
经典的理论认为：直接通路促进运动，介导奖励或正向的强化学习(positive reinforcement learning)；间接通路抑制运动，介导惩罚或负向的强化学习(negative reinforcement learning)。
上世纪80年代，麻省理工学院的Ann Graybiel课题组通过组织化学染色的方法发现纹状体中存在马赛克分布的“补丁”区块，区块内的神经元高表达µ型阿片受体(µ-opioid receptor, MOR)。她们把这些区块命名为“纹状小体”(striosome)。
后续的研究发现纹状小体与中脑的多巴胺细胞有直接的突触联系，在动物学习过程中起重要作用。由于纹状小体马赛克式的分布特点以及形态上不归一性，因而无法使用传统的记录和操控手段去研究这些神经元，所以至今关于这些神经元的功能理解依然知之甚少。
北京时间2020年9月15日晚23时，美国冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)李波课题组在Cell杂志上在线发表了题为“A genetically defined compartmentalized striatal direct pathway for negative reinforcement”的论文。
这项研究通过在体钙成像、光遗传学和化学遗传学操控等手段研究了位于纹状小体的两个不同亚群的直接通路神经元，发现它们在强化学习中具有不同的角色分工，而不是经典理论认为的直接通路神经元仅仅介导奖赏学习。
首先，作者基于前人的研究发现Tshz1和Pdyn两种分子可以作为纹状小体的标志物。利用转基因小鼠(Tshz1-FlpO和Pdyn-Cre)与带有荧光标志物的Reporter小鼠品系杂交，发现这两种分子标记的神经元在空间分布上都显示出马赛克式的区块结构。通过组织化学染色的方法，发现这些神经元与MOR在空间上共标，进一步确认了这些被标记的神经元属于纹状小体神经元。
然后通过RNAscope的方法同时标记多巴胺1型和2型受体，作者发现Tshz1和Pdyn都标记了直接通路神经元(direct-pathway medium spiny neurons, dMSN)。进而作者利用腺相关病毒分别标记这两群神经元，发现它们都投射到与直接通路相关的下游脑区，包括内苍白球、黑质等，这些投射路径与dMSN的投射高度相似。这些结果说明Tshz1和Pdyn特异性地标记了纹状小体的dMSN。
为了直接观察这两类神经元在动物行为中的活动，作者在Tshz1+和Pdyn+ dMSN中特异性表达钙指示蛋白(GCaMP)，然后通过植入GRIN lens或者光纤来观测细胞的钙信号。为了了解这两群神经元在动物强化学习中的活动，作者训练小鼠进行巴普洛夫的任务：一种频率的声音（条件刺激）预示奖励（非条件刺激），另外一种声音（条件刺激）预示惩罚（非条件刺激）。
作者发现这两群神经元有很不一样的活动特征：Tshz1+ dMSN主要对惩罚起兴奋性的反应，而Pdyn+ dMSN对奖励和惩罚都起兴奋性的反应。这两群神经元在动物学习的早期，对条件刺激都没有反应；然而在学习之后，它们开始对条件刺激也起反应，显示这些神经元获得“预测”功能。这些结果提示这些纹状小体神经元可能参与动物的强化学习过程。
为了证实这些神经元与强化学习直接的因果关系，作者在Tshz1+和Pdyn+ dMSN中特异性表达光遗传受体，利用激光特异性地激活这两类神经元。结果发现，这两类神经元介导完全相反的价值判断：直接激活Tshz1+ dMSN引起动物的厌恶或者逃避行为；而激活Pdyn+ dMSN则引起动物喜欢或者位置偏好的行为。
更进一步，通过偶联激光激活这两类神经元与动物的鼻触行为，发现激活Tshz1+ dMSN可以减少与之关联的动作的价值，而激活Pdyn+ dMSN可以增加与之关联的动作的价值。这说明Tshz1+和Pdyn+dMSN活动的高低，可以指导动物的动作抉择行为。
特别需要指出的是，Tshz1+ dMSN所介导的功能与传统的对于dMSN的认识完全相反，揭示出Tshz1+ dMSN投射出独特的“非经典”直接通路。与经典的直接通路相反，这条非经典直接通路介导负向的强化学习信号。这些结果也表明经典的基底神经节理论模型过于简单，纹状体中dMSN不同亚群的神经元具有很不一样的功能。
为了更进一步研究Tshz1+ dMSN在动物主动逃避危害刺激的行为中的作用，作者训练小鼠进行跑轮(running wheel)行为：当小鼠听到10 KHz的声音后，需要让自己在滚轮上的跑动速度超过一定的阈值，否则它会受到惩罚（一股空气流）。
当小鼠进行这个任务的时候，作者发现Tshz1+ dMSN有相当比例的神经元在小鼠失败受到惩罚的时候起反应，也有很多神经元在小鼠积极跑动（躲避潜在的危险刺激）的时候有反应。
而且有很多神经元的活动与动物的跑动速度成正向的线性相关的关系：动物在反应时间窗内跑动的速度越快，Tshz1+ dMSN的活动越高。这些结果说明Tshz1+ dMSN不仅仅被动地 报告接受到的惩罚，而且还积极地参与了负向的强化学习的行为。
为了验证Tshz1+ dMSN是否是学习行为所必需的，作者在Tshz1+ dMSN中特异性地表达一种化学遗传学的受体(KORD)，然后通过皮下注射KORD的激动剂(SALB)来特异性地抑制这一类神经元的活动。
在这个实验中，作者训练小鼠完成一个听觉的Go/No-go的任务：在一种声音下，小鼠舔水管可以得到奖赏(Go)；而在另外一种声音下，小鼠被要求不能舔水管(No-go)，否则受到惩罚。结果发现，与对照组相比，抑制Tshz1+ dMSN的活动显著地降低了小鼠的学习速率。
更进一步分析发现，小鼠学习行为的降低主要是由于在No-go行为中，小鼠没有很好地抑制自己的舔水管行为；而抑制Tshz1+ dMSN对Go的行为并没有明显的影响。此外，通过分析小鼠在旷场中自由活动时的运动轨迹，作者发现抑制Tshz1+ dMSN并没有影响运动。
这些结果说明Tshz1+ dMSN所介导的功能并不是传统上与运动相关的功能，而是在负向的强化学习中扮演很重要的角色。
这一研究为基底神经节直接通路和纹状小体的功能提供了新的认识，为揭示基底神经节在强化学习中的作用原理提供了重要数据，对传统的理论模型进行了修正。该研究也为基底神经节相关疾病的机制研究和治疗提供了新线索。
论文第一作者为冷泉港实验室肖雄博士，通讯作者为冷泉港实验室李波教授。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.032
Cell最新：李波团队发现岛叶介导动力的神经机制
自19世纪早期德国神经解剖学家J.C. Reil首次命名岛叶皮层（insular cortex）以来，研究人员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。
值得一提的是，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。其它研究发现岛叶功能的异常还与抑郁症等心理和精神疾病密切相关。这些以前的研究提示岛叶可能参与调控动力(motivation/vigor)相关的行为，然而其具体的神经环路基础仍非常不清楚。
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力行为的神经基础。
该研究通过结合在体钙信号成像、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，发现了岛叶皮层深层(layer 5B)神经元到脑干（brainstem）孤束核（nucleus tractus solitarii）的神经环路在调控动力行为中发挥重要作用。
作者训练小鼠学会在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。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，并通过在体钙成像观察了这群神经元的钙活动变化。他们发现很大比例的这群岛叶神经元参与编码动力，而与单纯的舔水管的动作无关。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力至关重要，而对舔水的动作并无影响。
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。孤束核传统上被认为是往大脑传递味觉信息的中继站。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。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。
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。
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，作者发现增强岛叶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。这一增加的效果只在小鼠处于口渴状态时明显，而当小鼠处于温饱状态时并不显著。
图文摘要
这一研究揭示了岛叶参与调控动力的具体的神经环路机制。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。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。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.11.019