脑干回路增强厌恶反应的一种机制
一种脑干回路增强厌恶反应的机制研究
背景与研究动机
厌恶反应是人类与动物在面对威胁或不愉快刺激时产生的自然反应，能够帮助个体规避危险，并在进化过程中发挥重要的适应性作用。然而，当厌恶反应过度时，可能导致一系列情绪障碍，如抑郁、焦虑、躁郁症和创伤后应激障碍（PTSD）等。对厌恶信号的动态控制和调节有助于个体适应环境中的威胁，适时调整行为反应。然而，目前有关增幅厌恶反应的神经回路及其机制的研究仍不充分。此前的研究多集中于杏仁核及其关联的脑区对厌恶和负性情绪的控制作用，然而，杏仁核的激活往往直接诱发恐惧和焦虑行为，而不是单纯放大厌恶信号。因此，寻找一种能够精确调控厌恶反应强度的神经回路具有重要意义。
在本研究中，由梁景文、周宇、冯启儒等科学家组成的团队，基于中脑脚间核（Interpeduncular Nucleus, IPN）与不确定核（Nucleus Incertus, NI）之间的神经连接，揭示了一种新型的厌恶信号放大回路。他们的研究发现，IPN中GABA能神经元的激活与厌恶反应强度呈正相关，并通过连接至NI的通路对恐惧学习和阿片类药物戒断的厌恶反应进行调控。该研究为未来开发情绪障碍与药物依赖复发的干预手段提供了新的可能性。
研究来源
本研究由中国脑研究院（CIBR）、北京大学、海南大学、华中科技大学等单位的科学家共同合作完成。主要作者为梁景文和周宇，研究成果发表在2024年11月6日的《Neuron》杂志上。
研究流程与方法
1. 实验对象与标记方法
为了揭示IPN与NI回路在厌恶反应中的作用，研究团队选用一种Pax7-CreER转基因小鼠，通过他莫昔芬诱导表达绿色荧光蛋白（EGFP），准确标记IPN中的GABA能神经元。通过这种方式，研究者能够精确定位并操控IPN的Pax7神经元，并通过腺相关病毒（AAV）载体进一步标记和控制神经元的功能。这种方法确保了实验的特异性，使得研究团队能够排除与其他神经元的交叉反应。
2. 光纤光度计与神经元活动检测
研究人员使用光纤光度计技术，记录小鼠在自由活动状态下的钙离子（Ca2+）信号，观察IPN神经元在厌恶刺激下的反应。通过Pavlovian条件反射实验，研究人员为小鼠设置了不同强度的电击和苦味溶液（奎宁），并观察IPN神经元对这些厌恶刺激的反应强度。实验结果表明，IPN神经元对刺激的反应强度与厌恶程度（如电击强度和奎宁浓度）成正相关，显示IPN神经元不仅编码厌恶事件的出现及其关联，还能够反映刺激的强度。
3. 厌恶反应放大的因果关系分析
为了验证IPN神经元在厌恶反应中的作用，研究团队采用功能缺失策略，利用AAV载体将Caspase-3导入IPN，以选择性地消融Pax7神经元。结果显示，在厌恶刺激下，这些被消融神经元的小鼠表现出较弱的厌恶反应。此外，研究团队还利用DREADDs技术对IPN神经元进行化学遗传激活，结果发现当激活Pax7神经元时，小鼠对温和的电击表现出更强的厌恶反应，但这种激活不会直接引发焦虑行为。上述结果证实了IPN神经元在厌恶反应中的重要性。
4. IPN到NI的下游通路
通过细胞类型特异性稀疏标记与微光片层扫描断层成像技术，研究人员成功重建了IPN中投射至NI的神经元的形态，并观察到这些神经元主要向NI pars compacta（NIC）和NI pars dissipata（NID）投射。为了验证IPN与NI的突触连接，研究人员采用全细胞膜片钳记录，发现光遗传激活IPN神经元的轴突末端可在NI神经元中引发突触后电流，进一步证明了IPN神经元在NI中形成了功能性单突触连接。此外，实验还表明，这些连接主要为GABA能抑制性连接，证实了IPN通过其GABA能投射神经元调控NI神经元的活性。
5. 阿片类药物戒断中的厌恶反应调节
为了进一步探讨IPN-NI通路在阿片类药物戒断中的作用，研究团队设置了纳洛酮诱导的吗啡戒断实验，并在NI中记录到显著的Pax7神经元活动增加。此外，消融投射至NI的IPN神经元的小鼠表现出明显减弱的厌恶反应，而不会影响对奖赏的反应，表明IPN神经元的激活会放大戒断引起的厌恶记忆和学习。
研究结果与主要发现
本研究揭示了IPN-Pax7神经元的活性在厌恶刺激的反应强度方面具有放大作用。IPN神经元的活动与刺激的厌恶值密切相关，并通过连接至NI的下游通路调控恐惧学习和戒断厌恶反应。在恐惧条件反射实验中，IPN神经元的活性不仅在条件刺激下上升，还会在电击停止后的消退阶段继续活跃。此外，IPN-Pax7神经元在厌恶反应中的作用也适用于阿片类药物的戒断情境。
具体而言，IPN-Pax7神经元在下游NI中的投射可以增强厌恶反应，使小鼠在面对轻度的厌恶刺激（如温和的电击或奎宁溶液）时表现出更强的回避行为。而通过化学遗传激活这些NI投射神经元，可以显著增加小鼠的冻结反应。这种作用不仅在条件反射学习阶段表现出来，而且在随后的记忆巩固和表达阶段依然有效。
研究意义与应用价值
本研究为厌恶反应放大的神经机制提供了新的见解，揭示了IPN-NI通路作为厌恶信号放大器的作用。该通路不仅在正常情境下调控厌恶信号的增幅，还在阿片类药物戒断情境中促进厌恶记忆和学习，显示了其在戒断中的关键作用。上述研究为未来治疗情绪障碍和药物依赖复发提供了潜在的靶点。
此外，IPN-Pax7神经元的厌恶放大作用在戒断情境中的应用显示出广泛的临床前景。特别是在阿片类药物戒断过程中，厌恶信号的过度增强常常使成瘾者难以摆脱药物依赖。因此，IPN-NI通路的特异性调控可能在帮助成瘾者戒断中提供新的治疗思路。
研究亮点
- 新型的厌恶信号放大回路：IPN-NI通路首次被揭示为厌恶信号的放大器，为调控厌恶反应的神经机制提供了新的视角。
- 特异性厌恶增强功能：IPN神经元通过NI的投射，对厌恶信号具有选择性的放大作用，而不会直接引发一般性焦虑或活动改变。
- 戒断厌恶的调节：IPN-Pax7神经元在阿片类药物戒断的厌恶反应中具有放大作用，显示了其在戒断过程中的关键作用。
- 潜在的临床应用价值：IPN-NI通路可能成为未来治疗情绪障碍和成瘾复发的潜在靶点，为情绪和药物依赖的干预提供新的可能性。
总结
梁景文等的研究揭示了脑干回路在厌恶反应放大中的独特作用。通过调控IPN-NI通路，小鼠对厌恶刺激的反应强度显著增强。该研究为理解厌恶反应的神经机制以及其在药物戒断和情绪障碍中的应用提供了重要依据，提出了通过IPN-NI回路调控厌恶记忆和学习的可能性，为未来的情绪与成瘾治疗开辟了新的方向。