客户文章 | Neuron︱浙江大学胡海岚团队解析小鼠社会等级制度背后的神经环路

2024年12月10日，浙江大学脑科学与脑医学学院、双脑中心胡海岚教授团队在Neuron杂志发表了题为“Deconstructing the neural circuit underlying social hierarchy in mice”的研究论文，研究发现dmPFC通过控制其下游不同途径来调节竞争行为，揭示了大脑如何通过自上而下的调控来协调复杂行为。具体来说，dmPFC投射到中缝背核（DRN）和导水管周围灰质（PAG）的第5层神经元促进社会竞争，而投射到前基底外侧杏仁核（aBLA）的第2/3层神经元抑制社会竞争。

基于腺相关病毒（AAV）的策略，用EGFP标记神经元和突触蛋白融合的mRuby标记轴突末梢，绘制了dmPFC的全脑投影图，其中dmPFC轴突末梢在大脑几个区域特别丰富，如基底外侧杏仁核（BLA）、尾状核（CPu）、伏隔核（NAc）和中背侧丘脑（MDT）。为了确定dmPFC下游参与社会竞争的区域，作者通过小鼠在管测试（tube test）中的行为来评估动物社会等级和竞争行为，主要是记录每只小鼠的行为，包括推push、抵抗resistance和撤退retreat，能够推动另一只小鼠并继续前进的小鼠被认为是优势（更高等级），而撤退的小鼠被认为是劣势（更低等级），然后比较该行为后胜利者和失败者小鼠的c-Fos免疫活性模式（图1A），发现它们之间的c-Fos表达存在显著差异（图1B）。胜利者小鼠在dmPFC中显示出c-Fos表达增加，同时，在dmPFC下游的中背侧丘脑（MDT）、背结节核（DRN）和导水管周围灰质（PAG）等三个皮层下区域也发现了c-Fos表达的增加。相比之下，失败者小鼠主要在前杏仁基外侧区（aBLA）中显示出c-Fos表达增加（图1B和1C）。

图1 与胜利或失败相关的dmPFC下游脑区

为了确定不同的dmPFC投射在调节社会等级中的功能作用，使用AAV在dmPFC中双侧表达eNpHR3.0来抑制这些途径，在各个下游脑区植入光纤（图2），分别抑制不同的dmPFC投射末端。结果发现光遗传学抑制dmPFC-MDT（图2B-2D）、dmPFC-背内侧尾状核（dmCPu）和dmPFC-NAc环路途径并不影响小鼠管测试中的优势等级排名（dominance rank，衡量个体在社会等级制度中的位置，优势等级高的个体往往能够优先获得食物、配偶和领地，并且在群体中的决策中拥有更大的影响力），而抑制dmPFC-DRN（图2E-2H）或dmPFC-PAG（图2I-2L）会导致更多的撤退行为（图2H和2L）并降低小鼠的优势等级排名（图2G和2K）。相比之下，光遗传学抑制dmPFC-aBLA（图2M-2P）投射途径则减少了撤退行为（图2P）并提高了优势等级排名（图2O）。

图2 抑制不同的dmPFC下游环路改变优势等级

将编码视紫红质通道蛋白（ChR2）的AAV病毒注入右侧dmPFC，并在DRN、PAG或aBLA上方植入光纤（图3A、3E和3I），激活dmPFC-DRN、dmPFC-PAG和dmPFC-aBLA投射末端，发现激活dmPFC-DRN或dmPFC-PAG环路投射促进了管测试中推挤行为并提高了优势等级排名（图3B-3D和3F-3H），激活dmPFC-aBLA反而增加了管测试中撤退行为并降低了优势等级排名（图3J-3L）。值得注意的是，激活dmPFC-DRN、dmPFC-PAG或dmPFC-aBLA途径并没有在实时位置偏好测试中引起偏好或厌恶。将逆行病毒AAV2/2Retro-hSyn-Cre分别注入DRN、PAG或aBLA，以及将表达Cre诱导的光敏感ChR2的AAV注入dmPFC，特异性激活了投射到DRN、PAG和aBLA的dmPFC神经元，结果发现激活DRN和PAG投射的dmPFC神经元增加了排名，而激活aBLA投射的dmPFC神经元却导致排名下降。由此可见，激活dmPFC神经元引起的行为变化与激活投射末端引起的结果相似。

图3 激活不同的dmPFC下游环路改变优势等级

由于dmPFC-aBLA途径在调节社会竞争中显示出了独特的作用，为了进一步确认这一途径的功能，作者接下来尝试在管测试中抑制或激活aBLA本身（图4）。当光遗传学抑制aBLA（图4A）时，发现在管测试中九只小鼠里面有七只显示出更多的推挤行为和更少的撤退行为，并提高了优势等级（图4B-4D）。相反，光遗传学激活aBLA降低了管测试中的等级排名，在八只小鼠中有七只出现了这种情况（图4E-4H）。

图4 调控aBLA会影响管测试等级

为了测试在社会竞争中不同dmPFC神经元亚群的活动状态，作者使用光纤记录系统实时监测了它们在管测试对抗中的活动（图5A和5B）。将表达Cre诱导的Ca2+指示剂GCaMP6s的AAV注入右侧dmPFC，并将逆行病毒AAV2/2Retro-hSyn-Cre注入DRN、PAG或aBLA。病毒表达后，在dmPFC注射部位上方200毫米处植入光纤以记录Ca2+信号（图5C、5G和5K）。与整个dmPFC的情况类似，投射到DRN的dmPFC神经元的Ca2+信号在推挤行为开始后显著增加（图5D-5F）。投射到PAG的dmPFC神经元的钙信号有增加的趋势，但未达到统计显著性（图5H-5J）。相比之下，投射到aBLA的dmPFC神经元在推挤行为开始后活动减少（图5L-5N）。这种Ca2+动态表明，社会竞争中推挤行为期间，与胜利相关的dmPFC-DRN投射神经元被激活，而与失败相关的dmPFC-aBLA投射神经元被抑制。

图5 不同dmPFC投射神经元亚群在管测试中活动动态

为了理解与胜利和失败相关的dmPFC神经元如何协调它们的活动来支配行为，作者探索了它们在dmPFC内部如何相互作用（图6）。当光遗传学激活与胜利相关的、投射到DRN的第5层神经元并记录第2/3层神经元活动，与失败相关的投射到aBLA的第2/3层神经元（图6A）。实验发现激活或者抑制这部分神经元后对这些dmPFC第2/3层神经元的神经活动影响不显著（图6B-6H）。当光遗传学激活与失败相关的、投射到aBLA的第2/3层神经元并记录第5层神经元（图6I），观察到有75%在dmPFC第5层pPYR神经元被抑制，6%被激活（图6J-6L）。相反，当aBLA投射神经元被光遗传学抑制时，有62%在dmPFC第5层pPYR神经元被激活，只有6%被抑制（图6N-6P）。这些结果表明，dmPFC 2/3层投往aBLA的“失败神经元”会显著抑制5层的“胜利神经元”。

图6 dmPFC中aBLA投射的第2/3层神经元抑制第5层神经元

为了理解与失败相关的神经元如何抑制与胜利相关的神经元的细胞机制，作者进行了脑片膜片钳实验（图7）。将表达Cre诱导的光敏感ChR2的AAV注入dmPFC，并将逆行病毒AAV2/2Retro-hSyn-Cre注入aBLA，以在投射到aBLA的神经元中表达带有EGFP标签的ChR2。通过将逆行病毒AAV2/2Retros-hSyn-tdTomato-WPRE-pA注入DRN，使投射到DRN的神经元在红色荧光下可视化。然后使用蓝色光脉冲（5毫秒脉冲宽度）刺激急性脑片中投射到aBLA的神经元，同时使用全细胞膜片钳技术记录投射到DRN的神经元（图7A）。结果发现在大部分（73%）投射到DRN的神经元中，eIPSCs的幅度大于eEPSCs（图7B）。光诱发的EPSCs被电压门控钠通道阻断剂河豚毒素（TTX）完全阻断，并通过应用TTX+4AP（钾通道阻断剂4-氨基吡啶）恢复（图7C），表明eEPSCs是由直接突触连接介导的。另一方面，光诱发的IPSCs也被TTX完全阻断，但通过应用TTX+4AP并未恢复（图7D），表明eIPSCs是多突触抑制性电流。此外，GABAA受体拮抗剂匹克毒素（PTX）阻断了eIPSCs（图7E）。利用光遗传实验对SST-Cre或PV-Cre小鼠相应环路进行调控，结果表明SST和PV中间神经元都参与了dmPFC中从第2/3层到第5层神经元的前反馈抑制。

图7 失败相关神经元通过GABA能中间神经元抑制胜利相关神经元

文章通过精细的神经科学研究，揭示了小鼠背内侧前额叶皮质（dmPFC）中不同神经途径在社会竞争中的作用，特别是dmPFC-DRN和dmPFC-PAG途径在促进胜利行为中的作用，以及dmPFC-aBLA途径在促进失败行为中的作用。不仅增进了我们对大脑如何调控社会行为的理解，还为未来开发治疗社交障碍和精神疾病的新方法提供了潜在的靶点，有助于我们深入探索大脑功能的复杂性并开发出更有效的干预策略。

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