5-HT能神经系统如何调节动物广泛多样的行为?

5-HT能神经系统如何调节动物广泛多样的行为?

作者:RWD
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文章概述


血清素(Serotonin),又称5-羟色胺(5-Hydroxy Tryptamine, 5-HT),是一种神经调节性的神经递质。5-HT主要来源于脑干中缝背核(Dorsal Raphe Nucleus, DRN),并在整个神经系统释放。5-HT能系统涉及广泛的行为,包括奖赏、惩罚、焦虑、抑郁、社交、攻击以及学习等。5-HT能系统显示了相当大程度的分子和细胞多样性,小鼠体内约有9000个5-HT能神经元,这些神经元在生理学、神经化学、发育轨迹和下游靶点等方面各不相同。中缝核几乎向大脑的每个区域都发出了神经投射,因此,研究这个复杂的系统如何来调节这些多样行为是神经科学的一个目标。


2022年6月13日,哥伦比亚大学的研究人员在《Neuron》杂志上发表题为“Single-cell activity and network properties of dorsal raphe nucleus serotonin neurons during emotionally salient behaviors”的文章,该研究利用微型显微镜观察了DRN中5-HT能神经元在情绪显著刺激中的活动和特性,证实了DRN中的5-HT能神经元通过混合选择高度相关的神经集群以及有偏倚的下游连接来调节不同情绪行为。

文章标题


核心观点


1、DRN5-HT神经元受到情绪显著刺激调节;
2、DRN5-HT神经集群具有高度相关的活性;
3、单个DRN5-HT神经元能够对不同的情绪行为组合作出反应;
4、投射特异性亚群中对不同情绪反应的神经元比例存在偏差。


研究结果分析


1. DRN5-HT神经元在奖赏行为中以神经集群的方式被募集


为了观察DRN5-HT神经元在动物自由行为期间的活动,作者利用可视化的微型显微镜对神经元进行了单光子钙成像,以此来观察动物行为相关的神经元活性。已有的研究证实,DRN5-HT神经元在奖赏过程中起作用,因此作者通过在舔舐系统中给予蔗糖奖励来观察DRN5-HT神经元的活动。小鼠在第一次舔舐之前的1~2秒内,DRN5-HT神经元的活动大幅增加,这种效应与之前测量DRN5-HT活性的实验一致。单个神经元对蔗糖反应的结果表明,这些神经元的反应是混合,大多数DRN5-HT神经元(59%)对蔗糖选择性兴奋,较小部分非选择性神经元(34%)对蔗糖没有达到反应阈值,还有少部分神经元(7%)的反应是抑制性的。在兴奋的神经元中,大多数细胞在累积舔舐后反应逐渐变小,预期活动也发生了改变。并且作者还观察到,DRN5-HT神经元在这些行为反应中形成了具有高度相关活性的离散集群,这些神经集群在较长的时间内都是相互关联的,而不仅仅是当小鼠受到刺激或表现出一种可测量的行为时。

DRN5-HT神经元在奖赏行为中以神经集群的方式被募集1

DRN5-HT神经元在奖赏行为中以神经集群的方式被募集2


2. DRN5-HT神经元能够对不同效价的味觉刺激产生反应


为了确定这些有反应的DRN5-HT神经元是对蔗糖的特异性反应,还是更普遍地对无论是哪种价态的情绪显著性有反应,作者利用味觉计来给予不同的味觉刺激物并观察DRN5-HT神经元的活性。结果显示,如果神经元对正效价刺激(蔗糖)的做出反应,它们的反应将与这一刺激的适口性成比例。相反,如果这些神经元对情绪显著性有反应,它们对奎宁(一种苦味剂,负效价刺激)和蔗糖的反应会比对水的反应更强烈。这些神经元中的大多数都对奎宁和蔗糖都有反应,也有很小一部分的DRN5-HT神经元的只对奎宁或蔗糖有反应,突出了系统的异质性。只有很少一部分的DRN5-HT神经元(16%)对中性价态刺激(听觉)有反应,将这种中性的听觉刺激与情绪显著刺激关联后能够募集DRN5-HT神经元对听觉线索产生反应。

DRN5-HT神经元能够对不同效价的味觉刺激产生反应


3. DRN5-HT神经元集群对反复的足底电击形成适应性的变化


接下来,作者检测了DRN5-HT神经元在足底电击刺激过程中的反应,这是一种强烈的负效价情绪显著刺激。第一次电击导致DRN5-HT神经元活动大幅增加,而对随后两次电击的反应则逐渐减少,DRN5-HT神经元的整体反应随着这种厌恶刺激的重复呈现而下降。单细胞水平分析显示,45%的DRN5-HT神经元对足底电极有显著反应,其中46%的应答细胞在一系列电击中反应大小也逐渐降低。与蔗糖奖励实验一样,DRN5-HT神经元在足底电击过程中也形成了高度相关的神经集群,进一步证明了这些集群的存在是DRN5-HT网络在不同的行为和情绪状态中的一般属性。

DRN5-HT神经元集群对反复的足底电击形成适应性的变化1

DRN5-HT神经元集群对反复的足底电击形成适应性的变化2


4.DRN5-HT神经元在高架十字迷宫探索行为中被募集


接下来,作者研究了DRN5-HT神经元在高架高架十字迷宫和社交互动中的活性,这是两种复杂的情绪显著行为。动物在高架十字迷宫的开放臂和中心探险时,其DRN5-HT神经元的群体活动显著高于封闭臂;同样,在单细胞水平上,动物在开放臂探索时募集的DRN5-HT神经元比在封闭臂探索时要多得多,并且这些神经元的活动与特定的探索行为(如头部下探、窥视等)是正相关的。值得注意的是,动物在开放臂停留时间、头部下探次数、窥视次数与开放臂激活的DRN5-HT神经元比例呈负相关。表明,那些将开放臂视为威胁的动物,其DRN5-HT神经元兴奋水平更高。

DRN5-HT神经元在高架十字迷宫探索行为中被募集1

DRN5-HT神经元在高架十字迷宫探索行为中被募集2


5. DRN5-HT神经元在首次社交互动中被募集


社交互动是另一种情绪显著行为,为此,作者研究了单个DRN5-HT神经元在社交互动中是如何反应的。雄性小鼠被放置在旷场中,让它们独自探索几分钟,然后引入一个新的青少年雄性小鼠,雄性小鼠与新小鼠的互动时间在最初互动阶段是后续互动的两倍,其DRN5-HT系统是由第一次社交互动来特异性募集的。与在高架十字迷宫探索过程类似,第一次社交互动激活的DRN5-HT神经元形成了高度相关的神经集群。

DRN5-HT神经元在首次社交互动中被募集1

DRN5-HT神经元在首次社交互动中被募集1


6. 混合选择的DRN5-HT神经元网络对不同行为做出反应


为了理解DRN5-HT网络的逻辑,有必要确定DRN5-HT神经元如何对多种行为做出反应,为此,作者监测了单个神经元在不同行为中的反应。结果显示,不同行为募集的DRN5-HT神经元之间存在着很大程度的混合选择性和功能异质性,大多数行为在随机水平上募集了一个中等程度的重叠反应的DRN5-HT神经元,并且存在单个DRN5-HT神经元能够同时对蔗糖奖励、足底电击、高架迷宫以及社交互动这些行为作出反应的情况。因此,在情绪显著行为中作出反应的DRN5-HT神经元并没有严格按照行为类型、感觉形态或效价进行细分。随机水平重叠的例外是在高度厌恶(足底电击)和高度食欲(蔗糖奖励)行为之间的极端比较,其重叠水平为19%,低于随机预期。这些结果同样强调了DRN5-HT神经元在多种行为反应之间的重叠,足底电击和蔗糖奖励极端比较的区别,以及DRN5-HT群体的高度异质性。

混合选择的DRN5-HT神经元网络对不同行为做出反应1

混合选择的DRN5-HT神经元网络对不同行为做出反应2


7. DRN中投射到VTA和BNST的神经元异质且功能偏倚


DRN5-HT神经元通过其广泛的神经投射来发挥作用。接下来,作者研究了DRN中的特异性投射神经元是否基于对应的神经集群,或者是否更加异质。作者选择了DRN到终纹床核(Bed Nucleus of the Stria Terminalis, BNST)和DRN到腹侧被盖区(Ventral Tegmental Area, VTA)的两个强神经投射进行研究,一个与焦虑有关,一个与奖赏行为有关。环路示踪结果显示,DRN中投射到BNST和投射到VTA的神经元在解剖学上并不重叠,且这些特异性投射到某个区域的DRN5-HT神经元的相关程度并不相同,与DRN5-HT群体整体相似。这表明,在DRN5-HT网络中,解剖学上不同的投射本身是异质的。然后,作者通过确定每个投射对不同情绪行为的反应来表征这种异质性的性质。作者发现,两个投射包含的DRN5-HT神经元对测试的各种情绪行为都有反应,然而,它们对每种行为做出反应的细胞的相对比例是有偏差的。这些亚群的组成是互补的,并且与VTA和BNST在行为中的作用是一致的。向VTA的投射对蔗糖奖励反应更强,而向BNST的投射对高架十字迷宫中头部下探、足底电击和第一次社交互动反应更强。

DRN中投射到VTA和BNST的神经元异质且功能偏倚1

DRN中投射到VTA和BNST的神经元异质且功能偏倚1


总结


该研究通过对动物在奖赏、惩罚、焦虑抑郁、社交等情绪显著行为期间的2000多个5-HT能神经元进行成像,揭示了DRN5-HT系统的几个关键原则。DRN 5-HT神经元很大一部分受到情绪显著调节。与中性刺激相比,更多的神经元对情绪显著刺激作出反应,活动规模具有相对显著性。在网络层面,离散的集群在长时间尺度上高度相关。单个细胞能够对个体刺激的不同组合作出反应,并受到效价和感觉形态的一些限制。

总结


研究方法亮点


这项工作阐述了DRN中的5-HT能神经元对不同情绪显著行为反应的作用机制。该研究用到了在体可视化钙成像、行为学评估、脑立体定位注射以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务,可提供该研究中涉及的在体可视化钙成像、行为学评估、脑立体定位注射以及免疫组化等实验的完整解决方案。截至目前,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14500+,获得行业广泛认可。
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