胜利经历重塑丘脑–前额叶皮层 神经通路以稳固社会等级

周亭亭1,2,3 胡海岚1,4*
(1浙江大学医学院, 卫生部医学神经生物学重点实验室, 神经科学研究中心, 杭州 310013;
2中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所, 国家重点神经科学实验室, 上海 200031;
3中国科学院大学, 上海 200031; 4浙江大学求是高等研究院, 杭州 310013)
 
 

胡海岚, 浙江大学神经科学研究中心教授。1996年于北京大学获得学士学位, 2002年于加州大学伯克利分校获得神经生物学博士学位。2003~2008年在美国 冷泉港实验室和弗吉尼亚大学从事博士后研究工作, 2008~2015年在中国科学 院上海生命科学研究院担任研究员、博士生导师, 自2015年5月起任职浙江大 学。主持中国科学院“百人计划”(终期评估优秀), 并作为骨干参加了基金委情 感和记忆重大研究计划、科技部“973”重大科学导向项目和中国科学院战略性 先导科技专项(B类)的研究工作。获得的荣誉包括国家杰出青年基金、中国科 学院优秀导师奖(两次)、明治生命科学杰出奖、长江学者特聘教授、中国青 年女科学家奖及中国青年科技奖等。实验室致力于研究情绪与社会行为的分 子与神经环路机制。近六年来, 在情绪效价的神经编码(Nat Neurosci 2014; Ann Rev Neurosci 2016)、抑郁症发生的核心分子机制(Science 2013)以及社会等级 的神经基础(Science 2011; Trends Neurosc 2014; Science 2017)等方向取得了一 系列既有理论意义又有潜在应用价值的系统性原创成果。近期, 在Science杂 志以研究论文(research article)形式报导了胜利者效应调节社会竞争的神经环 路机制。

 
 
1 社会等级神经基础研究的现状
在多数物种中, 精神力量或者说性格因素(包括 勇气、坚持力、驱动力)以及先前胜利的经历都会 影响个体的社会地位[1-5]。2011年, 我们课题组首次 建立研究小鼠的社会等级的行为范式—钻管测 试[6]。我们发现, 用钻管测试的方法测量出来的社会 等级具有传递性和稳定性, 并且与其他社会等级行 为具有高度相关性。借助钻管测试的方法我们发现, 中缝背侧前额叶皮层(dorsalmedial prefrontal cortex, dmPFC)的突触连接强度与小鼠的社会地位呈正相 关。使用辛德毕斯(sindbis)病毒在dmPFC表达增强突 触连接的基因可以使小鼠社会等级升高, 而减弱突 触连接的基因则可以使小鼠社会等级降低。然而, 使 用sindbis病毒包装相应基因来操控突触连接强度的 方法时间精确度比较低, 小鼠社会等级的改变发生 在注射病毒后的12~24 h, 无法区分社会等级的变化 是间接的由于激素的变化还是直接的由于神经活动 引起。dmPFC的神经元活动性是如何即时地调控社 会等级相关行为依然是一个谜团。
除了以上内在因素, 社会等级的建立可能会受到“胜利者效应”的影响[1,7-10]。所谓的“胜利者效应”, 是指动物先前的胜利经历, 会使之后面的胜利更加 容易。“胜利者效应”从鱼、鸟类到哺乳动物都广泛 存在。目前关于其机制的研究多关注在胜利前后各 种神经内分泌物质的变化, 比如雄性激素、糖皮质 激素、多巴胺等, 然而关于“胜利者效应”的神经环 路机制鲜有研究涉及[8,11]。另外, 目前对于“胜利者 效应”的研究全部都是在同一种行为学范式中, “胜 利者效应”是否可以推广, 也就是说, 从一种竞争中 获得的胜利是否可以转移到其他行为中去, 也尚未 可知。

2 赢的小鼠在钻管测试中发出更多推挤和抵抗
为了在实验小鼠中研究社会竞争, 我们采用了 钻管测试的方法并对小鼠在钻管测试中的行为进行 了细致的划分。钻管测试中老鼠的行为被分为: 主 动推挤、反推挤、抵抗、后退和静止。通过对72次 钻管测试比赛的分析, 我们发现, 赢的小鼠会比输的 小鼠主动发出更多推挤, 并且每次推挤会持续更长的时间。当被推挤的时候, 赢的小鼠会更多地进行 反击推挤和抵抗以及更少地后退。我们对一笼四只 小鼠的推挤行为进行了分析, 发现等级相近的小鼠 之间会比等级悬殊的小鼠比赛时间更长并且有更多 次的推挤。

3 前额叶皮层神经元在社交竞争的“努 力”行为过程中被激活
我们在自由活动的小鼠进行钻管测试的时候, 对它们的前额叶皮层进行了单细胞水平的在体电 生理记录。我们成功地在ACC(anterior cingulate cortex) 和PL(prelimbic cortex)记录到了342个神 经元, 其中包括306个潜在的锥体神经元(putative pyramidal neurons, pPyr)和36个潜在的中间神经元 (putative interneurons, pIN)。我们分析了这些神经元 在不同的行为(包括推挤、抵抗、后退、静止)中的 发放活动。结果发现, pPyr神经元在推挤的时候有 更高的发放频率, 而pIN则在小鼠后退的时候有发放 增加的趋势。值得注意的是, 有一群神经元, 在小鼠 推挤和抵抗的时候, 发放频率会显著地升高, 这群神 经元所占的比例显著地高于在推挤和抵抗的时候发 放频率显著降低的比例。而在后退的时候, 发放显 著升高和显著降低的细胞比例则没有什么差别。在 推挤的时候显著升高的神经元中, 有三分之一在抵 抗的时候也会显著升高, 而且它们的发放频率的改 变在这两种不同的行为中呈高度线性相关关系。这 说明, 尽管推挤和抵抗是两种不同的需要付出努力 的行为(前者需要身体的移动, 而后者不需要), 它们 会以相似的方式募集dmPFC中同一群神经元。

4 DREADDs抑制dmPFC减少努力行为 并导致失败
为了研究dmPFC神经元活动对于钻管测试中 的胜利是否必需, 我们采取了DREADDs(designer receptors exclusively activated by designer drugs) 的 方法, 具体地, 我们把hM4D[human M4 muscarinic receptor (Gi)]病毒表达在小鼠的双侧前额叶皮层, 对表达了hM4D的神经元进行体外细胞记录发现, 给予CNO(clozapine-N-oxid)后这些细胞的活动性降 低。对这些老鼠进行腹腔注射CNO, 发现在注射后 1~1.5 h, 这些小鼠的社会等级开始降低, 并且在6~8 h 降到最低。在CNO注射之后, 小鼠的推挤次数和时长都有明显降低, 而且它们会发出更多的后退。

5 光遗传学激活dmPFC瞬时直接地引起 钻管测试中的胜利
接着我们利用光遗传学的手段测试了dmPFC 的激活是否足以快速地在社会竞争中诱导胜利。我 们在小鼠的前额叶皮层表达了广谱的启动子CAG驱 动的chR2(channelrhodopsin 2), 并在该脑区上方埋入 光纤。我们的在体电生理和脑片电生理实验证明, 表达了chR2的细胞可以受光刺激而被激活。我们用 100 hz的高频相位刺激和5 hz的刺激都可以激活前 额叶皮层并且相应地可以使小鼠在钻管测试中发出 更多次、更长时间的推挤, 从而使小鼠即时地赢得 钻管测试的比赛。我们发现, 光激活赢得比赛所需 要的光强与对手之间的等级差呈正相关, 也就是说 两只小鼠等级差别越大, 会越需要更大的光强使低 等级小鼠战胜对手。

重要的是, 光遗传激活dmPFC并没有改变小鼠 的肌肉力量。而且大部分光遗传激活前额叶皮层使 小鼠赢得比赛, 都发生在一分钟之内, 提示雄性激素 很有可能来不及参与这样快速的过程。而我们也检 测了光照1 min和1.5 h的雄性激素水平, 发现与基线 并没有差别。另外, 为了测试光遗传激活dmPFC是 否通过影响攻击性水平来调控社会等级, 我们也在 resident-intruder test激活小鼠的dmPFC, 结果发现, 光 照并不会改变小鼠的攻击水平。另外, 光照时也不会 改变小鼠对陌生和熟悉小鼠的识别, 说明小鼠的社 会等级的变化并不是由社会识别的异常引起的。

我们还精准地操纵了前额叶皮层的不同亚区。 结果发现, ACC更靠后的部分和前额叶皮层更深层 (infralimbic cortex, IL)的激活并不能调控钻管测试 中的等级。另外, 对于dmPFC锥体神经元的特异性 激活, 也可以使钻管测试中的社会等级升高。

6 MDT(mediodorsal thalamic)-dmPFC 环路突触强度介导钻管测试中的“胜利者 效应”
在光照激活前额叶皮层的实验里, 我们发现, 在不照光的第2 d, 小鼠在钻管测试中的表现分为两 种: 一种小鼠在第2 d可以维持升高的等级不变, 而 第二种小鼠的等级则会降回去。我们分析了这两类 小鼠在照光当天经历的不同, 发现维持等级的小鼠都接受了超过6次的光照, 而接受光照少于5次的小鼠等 级则会降回来。我们另外设计实验证明, 这种等级的 维持并不是由对手的变化引起的。这种现象符合“胜 利者效应”。如果给接受超过6次照光赢的小鼠腹腔 注射MK801, 这些小鼠的等级则会再恢复。这说明, 这种“胜利者效应”, 是依赖于神经元可塑性的。

接下来, 我们探索了胜利者效应的神经环路基 础。中缝背侧丘脑(MDT)是前额叶皮层的主要上游 之一。有研究证明, MDT-PFC的环路神经突触连接 在重复的被攻击之后会被削弱[12]。我们由此提出了 MDT-PFC这个环路有可能介导了“胜利者效应”这 样的假说。为了证明这个假说, 我们做了如下实验。 (1)结合光遗传学和在体电生理记录的方法, 我们发 现, MDT-PFC在重复赢6次之后的突触连接强度增 强。(2)在MDT表达了光敏感离子通道蛋白的老鼠上, 用光低频(low frequency stimulation, LFS)刺激MDTPFC 的神经突触末梢, 可以在这个环路上产生长时 程的突触后减弱(long term depression, LTD)。如果 在小鼠照光重复赢6次之后立刻给MDT-PFC这个环 路低频刺激, 则会使“胜利者效应”消失。(3)同样在 MDT表达了光敏感离子通道蛋白的老鼠上, 用高频 刺激(high frequency stimulation, HFS)刺激MDT-PFC 的神经突触末梢, 可以在这个环路上产生长时程的 突出后增强(long term potentiation, LTP)。如果在小 鼠生活的笼子里给小鼠LTP的刺激, 则可以直接诱 导使之钻管测试等级升高。以上实验证据从相关性、 必要性和充分性三个方面说明, MDT-PFC这个环路 的神经突触连接介导了“胜利者效应”。

7 “胜利者效应”从钻管测试到热源争抢 测试中的转移
为了检测胜利者效应是否能够在不同类型的竞 争中迁移, 我们首先设计了一种新的检测社会等级的 行为学范式: 把同笼四只小鼠放在一个冰冷的盒子 里, 这个盒子里有一个只能容得下一只小鼠的角落是 温暖的, 这四只小鼠便会去竞争这个温暖的角落。我 们发现, 在温暖的窝中测量的等级与钻管测试获得的 等级具有非常好的相关性。而且用DREADDs的方法 激活dmPFC, 也可以提高在热源争抢测试中的等级。 以上结果说明, 这个热源争抢测试也可以用来检测社 会等级。我们用光遗传学激活前额叶皮层的方法使 原先低等级的小鼠在钻管测试中重复赢10次之后, 这只原先低等级的小鼠在热源争抢测试中的等级也会 升高。这说明, 在一种行为学范式中的胜利经历也可 以转移到其他类型的竞争中。

8 总结
这项研究结合了行为学、电生理、光遗传等多 层手段, 首次确定了前额叶皮层对社会竞争的动态 控制, 第一次发现了“胜利者效应”的神经环路, 并且 第一次发现了“胜利者效应”在不同行为学范式中的 转移。由于社会等级与健康状况息息相关, 这为研 究社会等级相关的疾病提供了治疗靶点, 并且为在 各项比赛中提高参赛选手的表现的行为训练策略提 供了理论依据。

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