前额叶皮层微环路在社会竞争行为中的调控机制

前额叶皮层微环路在社会竞争行为中的调控机制

作者:RWD
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文章概述


动物通过反复的社会竞争来获取更高的社会地位,从而获得更优质的社会资源以及更好的生活质量。社会竞争的结果不仅仅是体格大小或者体力的问题,而是由高级皮层功能所调节的性格特征所决定的。高级皮层区域中的内侧前额叶皮层(medial Prefrontal Cortex, mPFC)与社会支配关系密切,mPFC编码了一些可能与社会竞争相关的认知特征,比如竞争相关的决策、行动计划等。前额叶皮层受损伤导致啮齿类动物或非人灵长类动物的社会等级信息处理能力受损、社交兴趣减少以及社会等级降低。


在钻管实验中,内侧前额叶皮层(dmPFC)神经元的活动控制着小鼠竞争的结果和支配地位,但是对于社会竞争中mPFC局部微环路的信息处理和计算的过程目前仍然知之甚少。2021年11月18日,浙江大学医学院胡海岚教授团队在《Neuron》杂志上发表题为“Dynamics of a disinhibitory prefrontal microcircuit in controlling social competition”的研究论文,团队研究人员在小鼠社会竞争实验中,利用光遗传学和化学遗传学技术来操纵小鼠dmPFC中兴奋性锥体神经元(Pyramidal, PYR)神经元和三种主要的抑制性中间神经元(包括血管活性肠多肽神经元,Vasoactive Intestinal Polypeptide/VIP、小清蛋白神经元,Parvalbumin/PV、以及生长抑素神经元,Somatostatin/SOM)的活动,观察到这些神经元的激活或抑制对小鼠钻管实验产生了不同甚至相反的结果。


研究者进一步利用光纤记录、微型双光子显微镜以及光电极记录等技术揭示了这些神经元之间的动态相互作用,并且确定了在dmPFC中存在一个潜在的VIP-PV-PYR去抑制微环路对小鼠社会竞争行为起到精细调控作用。


前额叶皮层微环路在社会竞争行为中的调控机制


核心观点


1、在dmPFC中,激活VIP神经元或抑制PV神经元能够促使小鼠在社会竞争中获胜,反之则会导致小鼠在竞争中失败;


2、获胜行为与dmPFC中以VIP神经元作为起始,并在PYR神经元和PV神经元中持续升高的连续钙活动有关;


3、激活VIP神经元直接导致PYR和PV神经元出现两阶段活动模式:快速的抑制以及随后的激活。


研究结果分析


1.激活dmPFC中VIP神经元促使小鼠在社会竞争中获胜,激活PV神经元则会导致小鼠在竞争中失败


前期的研究发现,光刺激激活dmPFC中兴奋性的PYR神经元能够诱导小鼠在钻管实验中获胜。为了系统地研究不同dmPFC神经元对社会竞争的贡献,研究者利用不同品系Cre小鼠分别特异性的光刺激激活dmPFC 中不同类型的抑制性中间神经元。激活SOM神经元对小鼠在钻管实验排名的变化不显著,激活PV神经元的光激活导致小鼠在钻管实验中排名下降。


更详细的视频分析显示,这些排名下降的小鼠表现出向前推进和抵抗的努力行为明显减少,而退缩行为增加。相反,光刺激激活VIP神经元促进小鼠在竞争中排名提升,这些排名升高的小鼠表现出更明显的推挤和更少的退缩。


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2.抑制不同dmPFC中间神经元产生不同的行为效应


接下来,研究者探讨了dmPFC中不同类型的中间神经元在竞争中的必要性。利用化学遗传学手段,分别抑制了小鼠dmPFC中不同类型的中间神经元。与激活的结果一致,抑制SOM神经元不会引起小鼠在钻管实验中的排名变化。然而抑制PV神经元会导致小鼠的排名升高,这些小鼠表现出更多的推挤和抵抗,以及更少的后退。相反,抑制VIP神经元导致小鼠的等级排名下降,小鼠的推挤和抵抗降低,后退行为增加。


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3.在竞争过程中,小鼠dmPFC神经元在努力推挤时被激活,在被动退缩时被抑制


接下来,研究者希望观察小鼠在竞争过程中dmPFC区神经元的实时活动情况。研究者首先利用光纤记录系统监测了小鼠在钻管实验中整个dmPFC区神经元的钙活动。为了让小鼠行为更加一致,研究者采用一个加长的管,在入口附近有两个门,门在两只小鼠在到达后5秒打开。训练过程中,小鼠习惯了在没有对手的情况下通过圆管,此时dmPFC区神经元钙活动没有明显变化。


然而,当测试小鼠与对手直接对抗时,dmPFC中钙活动在小鼠开始推挤并导致获胜时立即增加。相反,小鼠在出现后撤并导致失败时,dmPFC中的钙活动表现出轻微但是具有显著性的下降。这种钙活动变化表明,dmPFC神经元通常在努力推挤时被激活,而在被动退缩时被抑制。


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4.在竞争过程中,不同类型的dmPFC神经元在努力推挤和被动退缩过程中有差异的活动


为了更好地了解dmPFC微环路中不同类型神经元在社会竞争中的反应,研究者利用光纤记录系统分别对dmPFC中的PYR、PV和VIP神经元的进行了记录。与上述dmPFC全局活动类似,PYR神经元在努力推挤时被激活,在被动退缩时被抑制。VIP神经元活动与PYR神经元表现出相似的趋势,但在信号动力学上有一些不同。而PV神经元活动在努力推挤或被动退缩时均均显著增加。对信号出现的潜伏期进行分析发现,VIP神经元的钙信号在推挤出现之前就出现了上升,并且其潜伏期在PYR和PV神经元钙信号开始上升时结束,并且快速衰减。在被动退缩时,三种神经元钙信号变化的潜伏期和衰减时间没有明显差异。除了在推挤过程中PV神经元活性增加外,三种类型神经元在竞争过程中的钙信号变化与操纵结果的预测基本一致。此外,在启动时间上的差异表明,VIP神经元可能负责启动dmPFC微环路在努力推挤时的神经活动。


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5.PV或VIP神经元分别对dmPFC的全局活动产生抑制或兴奋性的调控


由于dmPFC中 VIP和PV神经元的钙动力学特性以及它们对社会竞争的相反作用,研究者开始探索这两种类型的神经元如何影响dmPFC的全局活动。研究者首先利用光遗传学结合快速高分辨率微型双光子显微镜的技术测试了在体沉默PV和VIP中间神经元对dmPFC全局活性的影响。研究者在PV-Cre或VIP-Cre转基因小鼠的dmPFC中同时表达GCaMP6f和另一种Cre依赖性抑制视蛋白JAWs,以此可以在对PV或VIP神经元进行光遗传抑制时同时监测dmPFC的全局钙活动。在对PV神经元时进行抑制时,60%的GCaMP6f与JAWs共表达的PV神经元可被光刺激抑制,16%的非PV神经元在光刺激期间显著兴奋,4%非PV神经元被抑制。


总的来说,当PV神经元被抑制时,dmPFC的全局活性显著增加。然后,在对VIP神经元时进行抑制时,67%的GCaMP6f与JAWs共表达的VIP神经元可被光刺激抑制,13%非VIP神经元在光刺激期间钙活动显著减少,3%非VIP神经元被激活。总的来说,在光刺激时,VIP神经元受到抑制,dmPFC的全局活性能力降低。这些数据证实了PV神经元在调控dmPFC全局活动中的抑制作用和VIP神经元在调控dmPFC全局活动中的兴奋作用。


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6.激活PV神经元降低dmPFC的全局活性


为了推断VIP、PYR和PV中子的活动顺序,需要在更高的时间分辨率下检测它们的动态过程。为此,研究者利用光电极记录技术来分析它们的单个集合神经元的电生理活动。对PV神经元进行光刺激时,在记录到的神经元中,139个为宽峰神经元(Wide Spike, WS,推断为PYR神经元),55个为窄峰神经元(Narrow Spike, NS,推断为中间神经元)。根据放电频率,NS神经元可进一步分为16个快速放电的中间神经元(Fast-spiking Interneurons, FSIs,推测为PV神经元)和39个非FSI神经元。在对PV神经元进行光刺激时,变化最显著的是PYR神经元,其中92%的PYR神经元活性降低。31%的FSI神经元和72%的NS非FSI神经元也被抑制,这些结果说明PV神经元可以相互抑制或者是抑制其它类型的神经元。


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7.激活VIP神经元导致PYR和PV神经元出现快速的抑制以及随后的激活


为了激活VIP神经元,研究者首先利用1-Hz的光进行刺激,用来标记dmPFC中的VIP神经元并观察dmPFC中神经元在VIP神经元激活后的动态反应。在这个过程中,一共记录到127个WS神经元,14个NS非FSI神经元和11个FSI神经元。这些神经元反应表现为抑制,抑制-激活或者延迟激活。多数的抑制具有一个较短的延迟,与VIP神经元的单突触抑制一致;激活发生的延迟时间更长,时间分布更广,与二级突触或多级突触传递类似。随后,研究者利用20-Hz的光来激活VIP神经元。在对VIP神经元光激活的整个1秒内,53%的PYR神经元兴奋,6%PYR神经元抑制。在VIP神经元光刺激后,PYR神经元的平均活性增加了60%。在中间神经元中也出现了类似的变化趋势,包括64%的NS非FSI神经元兴奋,0%抑制;73%的FSI神经元兴奋,27%抑制。在每个光脉冲之后,所有兴奋的神经元中,一小部分表现出立即的短暂抑制,然后是兴奋,但大多数(76%)表现为延迟激活。尽管在触发神经元反应方面总体上相似,但与1-Hz光刺激相比,20-Hz的光刺激下的无反应神经元数量大大减少,延迟激活神经元的比例更大,表明在行为相关的刺激频率下,激活VIP神经元可能激活更多的神经元。


同样值得注意的是,VIP激活显著抑制了FSI(PV)神经元,这可能会介导对其它类型神经元的去抑制,包括PYR神经元。由于VIP神经元对PV神经元的抑制本质上是瞬时的,研究者接下来测试PV神经元的瞬时失活对PYR神经元的影响。为此,研究者利用光电极技术来抑制PV神经元,结果导致了一个显著比例的PYR神经元(52%)瞬间激活。

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总结


该研究利用光遗传学、化学遗传学、钙成像以及电生理等技术,探讨了dmPFC中的主要中间神经元在小鼠社会竞争行为中的调控作用。在钻管实验中,研究者发现dmPFC 中的VIP神经元和PV神经元在调节小鼠的努力推挤和消极撤退时发挥了相反的功能。神经元的钙信号动力学结果表明,在推挤过程中,VIP神经元比PV或PYR神经元更早、更瞬时的被激活;在撤退过程中,PV神经元被激活,而VIP或PYR神经元被抑制。双色微型双光子显微镜结合光遗传操作证实,VIP神经元和PV神经元对清醒小鼠的dmPFC神经活动具有相反的调节作用。


基于这些结果,该研究认为,PV神经元具有较高的基础活性,并对其它神经元产生轻度强直性抑制。在推挤时,VIP神经元被激活,导致PV和PYR神经元瞬间抑制。PV的抑制导致其对PYR的抑制解除,其活性可以通过反复激活维持一段时间。PYR激活也会激活PV,最终会使所有神经元回到基础状态。在撤退时,由于VIP神经元被抑制或其它上游信号的输入,PV神经元被激活,导致dmPFC神经元的全局活动降低,并通过对PV神经元自动抑制回到基础状态。该研究表明,dmPFC中的VIP-PV-PYR微环路通过动态活动来调控小鼠在社会竞争中的输和赢。


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亮点研究方法


这项工作阐述了dmPFC神经活动对小鼠社会竞争行为的调控作用,研究用到了光遗传学、化学遗传学、光纤记录、微型双光子显微镜以及光电极记录等多种神经科学研究方法。瑞沃德深耕神经科学研究领域近20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务,可提供这项工作中涉及的光遗传学、化学遗传学、光纤记录、微型双光子显微镜以及行为学研究的完整解决方案。截止目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外 100 多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章12000+,获得行业广泛认可。
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