STAR Protocols︱脑内定点给药研究奖赏搜索行为机制的方案
撰文︱彭贝贝
责编︱王思珍
生物在自然环境中会主动追求有益事物并逃避有害事物。当某种行为既有利于生存，同时也可能导致有害的结果，则该行为会产生趋避冲突（approach-avoidance conflict）[1]。焦虑[2]和动机异常[1]会导致动物对趋避冲突的决策产生障碍。奖赏搜索行为（reward-seeking behaviors）范式可以有效模拟这种情境。然而，在研究中有两个关键难点：（1）全面深入地对行为进行客观评价；（2）阐明行为缺陷的脑区特异性信号通路机制。
2022年3月18日，华东师范大学心理与认知科学学院的刘帅课题组在Cell旗下的STAR Protocols杂志在线发表了题为“Using intra-brain drug infusion to investigate neural mechanisms underlying reward-seeking behavior in mice”的研究方案论文，提出了解析奖赏搜索行为及其神经机制的标准方法[3,4]，该方法采用多种行为学范式解析奖赏搜索行为障碍的原因，开发的Python程序全面客观地分析了行为学数据，采用脑内定点给药阐明行为的神经机制，同时该方法也广泛适用于其他相关的行为药理学研究。
该方案以持续压力荷尔蒙升高诱导的奖赏搜索行为缺陷为例，首先让小鼠持续暴露于含有压力荷尔蒙（corticosterone，CORT）的饮用水中，从而升高了小鼠体内的压力荷尔蒙水平，随后测量小鼠的奖赏搜索行为。奖赏搜索行为的测量是通过将美味的食物放置于黑白箱中空旷且明亮的白箱区域（图1），让小鼠自由地在箱内进行探索，这种行为范式具有非常高的生态效度（ecological validity）从而模拟了小鼠在自然环境中的奖赏搜索行为[5,6]。长期饮用含有压力荷尔蒙的小鼠会降低奖赏搜索行为[3]，表现出对食物区（有美味食物但危险的区域）探索行为降低的现象。
图1 奖赏搜索行为黑白箱参数
（图源：Xu C, et al., STAR Protoc, 2022）
长期暴露于压力荷尔蒙小鼠的奖赏搜索行为降低的原因是什么呢？从趋避冲突的角度来看，对生物体来说，有可能是趋向事物（食物）的权重降低（对食物的动机水平降低），或者对回避事物（存在死亡风险）的权重升高。前者可能是小鼠对美味食物的动机水平降低，后者则可能是小鼠对风险的焦虑水平升高。
为了阐述奖赏搜索行为降低的原因，课题组使用了触屏版本的渐进性比例测试（progressive ratio test）实验来测量小鼠对美味食物的动机水平是否降低（图2A）。触屏版渐进性比例测试实验，相比于其他行为操作箱版本（如按压杆），小鼠能够更快地完成训练任务，且对目标任务有更高的准确性[7]。对动机行为的测量能够表现出更高的效率和准确性。
图 2 触屏式操作箱示意图及分析程序
（图源：Xu C, et al., STAR Protoc, 2022）
课题组基于触屏版渐进式实验，开发了基于python的数据运算分析程序（图2B），对小鼠的行为数据进行全面快速的分析，结果发现长期暴露压力荷尔蒙的小鼠并没有表现出对美味食物的动机水平的降低。这说明长期暴露压力荷尔蒙的小鼠奖赏搜索行为降低可能是由于小鼠焦虑水平升高。课题组采用的十字高架和旷场的实验结果表明，长期暴露压力荷尔蒙小鼠的焦虑水平的确升高[3]。因此，该模型动物奖赏搜索行为的异常降低，可能并非是因为动物对奖赏事物的动机水平降低，而是因为动物本身的焦虑水平升高。
为了探究小鼠奖赏搜索行为降低的神经机制，该课题组采用了脑内定点微量给药技术（intra-brain drug infusion）。该方法能够直接研究某种药物在特定脑区对行为产生的影响，是一项非常重要的神经药理研究技术。该实验方案论文详细描述了给药导管的埋置手术及微量注射方法（图3）。该实验方案强调了手术及注射过程中的操作细节和注意事项，能够非常好地降低手术死亡率和提高注射成功率。
图3 颅内微量给药技术样例图
（图源：Xu C, et al., STAR Protoc. 2022）
该课题组使用离体膜片钳技术发现长期暴露压力荷尔蒙的小鼠腹侧被盖区多巴胺二型受体信号发生增强[3]。故通过给小鼠的腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）注射多巴胺二型受体的拮抗剂舒必利（sulpiride）来降低该异常升高的信号，并检测小鼠的奖赏搜索行为，结果发现长期暴露压力荷尔蒙的小鼠原本降低的奖赏搜索行为得到恢复（图4）。这些实验将特定脑区的信号通路改变和行为缺陷之间建立了因果关系，并且说明该信号通路可作为持续压力导致奖赏搜索行为缺陷的潜在干预靶点。
图4 舒必利微量注射入VTA能够改善长期暴露压力荷尔蒙小鼠的奖赏搜索行为
（图源：Xu C, et al., STAR Protoc, 2022）
图5 小鼠脑内定点给药研究奖赏搜索行为机制的方案模式图
（图源：Xu C, et al., STAR Protoc, 2022）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xpro.2022.101221
华东师范大学心理与认知科学学院助理研究员徐畅和博士生彭贝贝是这一论文的共同第一作者，刘帅研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（31800856），上海市科委科研项目（20dz2260300）和上海市卫生健康委员会项目（GWV-10.2-XD30）的资助，同时也感谢上海纽约大学-华东师范大学脑与认知科学联合研究中心的大力支持。
第一作者徐畅（后排左二），共同第一作者彭贝贝（前排右一），通讯作者刘帅（后排左一）
（照片提供自华东师范大学刘帅实验室）
刘帅研究员课题组主要研究方向为奖赏与动机的神经机制研究。欢迎有意向的研究生，博士后和副研究员加入。相关信息可参考刘帅研究员主页：ttps://faculty.ecnu.edu.cn/_s9/ls2/main.psp 。
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【2】科研技能︱第四届近红外脑功能数据分析班（线上：2022.4.18~4.30）
【3】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
参考文献（上下滑动阅读）
[1]K. Fricke and S. Vogel, “How interindividual differences shape approach-avoidance behavior: Relating self-report and diagnostic measures of interindividual differences to behavioral measurements of approach and avoidance,” Neurosci. Biobehav. Rev., vol. 111, pp. 30–56, Apr. 2020, doi: 10.1016/j.neubiorev.2020.01.008.
[2]D. E. Heinz et al., “Exploratory drive, fear, and anxiety are dissociable and independent components in foraging mice,” Transl. Psychiatry, vol. 11, no. 1, pp. 1–12, May 2021, doi: 10.1038/s41398-021-01458-9.
[3]B. Peng, Q. Xu, J. Liu, S. Guo, S. L. Borgland, and S. Liu, “Corticosterone Attenuates Reward-Seeking Behavior and Increases Anxiety via D2 Receptor Signaling in Ventral Tegmental Area Dopamine Neurons,” J. Neurosci., vol. 41, no. 7, pp. 1566–1581, Feb. 2021, doi: 10.1523/JNEUROSCI.2533-20.2020.
[4]C. Xu, B. Peng, and S. Liu, “Using intra-brain drug infusion to investigate neural mechanisms underlying reward-seeking behavior in mice,” STAR Protoc., vol. 3, no. 1, p. 101221, Mar. 2022, doi: 10.1016/j.xpro.2022.101221.
[5]S. H. Lockie, C. V. McAuley, S. Rawlinson, N. Guiney, and Z. B. Andrews, “Food Seeking in a Risky Environment: A Method for Evaluating Risk and Reward Value in Food Seeking and Consumption in Mice,” Front. Neurosci., vol. 11, 2017, doi: 10.3389/fnins.2017.00024.
[6]S. Liu et al., “Consumption of palatable food primes food approach behavior by rapidly increasing synaptic density in the VTA,” Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 113, no. 9, pp. 2520–2525, Mar. 2016, doi: 10.1073/pnas.1515724113.
[7]C. J. Heath, T. J. Bussey, and L. M. Saksida, “Motivational assessment of mice using the touchscreen operant testing system: effects of dopaminergic drugs,” Psychopharmacology (Berl.), vol. 232, no. 21–22, pp. 4043–4057, Nov. 2015, doi: 10.1007/s00213-015-4009-8.
制版︱王思珍
本文完