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文獻精讀第29期

文章概述

血清素（Serotonin），又稱5-羥色胺（5-Hydroxy Tryptamine, 5-HT），是一種神經調節性的神經遞質。5-HT主要來源于腦干中縫背核（Dorsal Raphe Nucleus, DRN），并在整個神經系統釋放。5-HT能系統涉及廣泛的行為，包括獎賞、懲罰、焦慮、抑郁、社交、攻擊以及學習等。5-HT能系統顯示了相當大程度的分子和細胞多樣性，小鼠體內約有9000個5-HT能神經元，這些神經元在生理學、神經化學、發育軌跡和下游靶點等方面各不相同。中縫核幾乎向大腦的每個區域都發出了神經投射，因此，研究這個復雜的系統如何來調節這些多樣行為是神經科學的一個目標。

2022年6月13日，哥倫比亞大學的研究人員在《Neuron》雜志上發表題為“Single-cell activity and network properties of dorsal raphe nucleus serotonin neurons during emotionally salient behaviors”的文章，該研究利用微型顯微鏡觀察了DRN中5-HT能神經元在情緒顯著刺激中的活動和特性，證實了DRN中的5-HT能神經元通過混合選擇高度相關的神經集群以及有偏倚的下游連接來調節不同情緒行為。

核心觀點

1、DRN5-HT神經元受到情緒顯著刺激調節；
2、DRN5-HT神經集群具有高度相關的活性；
3、單個DRN5-HT神經元能夠對不同的情緒行為組合作出反應；
4、投射特異性亞群中對不同情緒反應的神經元比例存在偏差。

研究結果分析

1. DRN5-HT神經元在獎賞行為中以神經集群的方式被募集
為了觀察DRN5-HT神經元在動物自由行為期間的活動，作者利用可視化的微型顯微鏡對神經元進行了單光子鈣成像，以此來觀察動物行為相關的神經元活性。已有的研究證實，DRN5-HT神經元在獎賞過程中起作用，因此作者通過在舔舐系統中給予蔗糖獎勵來觀察DRN5-HT神經元的活動。小鼠在第一次舔舐之前的1~2秒內，DRN5-HT神經元的活動大幅增加，這種效應與之前測量DRN5-HT活性的實驗一致。單個神經元對蔗糖反應的結果表明，這些神經元的反應是混合，大多數DRN5-HT神經元（59%）對蔗糖選擇性興奮，較小部分非選擇性神經元（34%）對蔗糖沒有達到反應閾值，還有少部分神經元（7%）的反應是抑制性的。在興奮的神經元中，大多數細胞在累積舔舐后反應逐漸變小，預期活動也發生了改變。并且作者還觀察到，DRN5-HT神經元在這些行為反應中形成了具有高度相關活性的離散集群，這些神經集群在較長的時間內都是相互關聯的，而不僅僅是當小鼠受到刺激或表現出一種可測量的行為時。

2. DRN5-HT神經元能夠對不同效價的味覺刺激產生反應
為了確定這些有反應的DRN5-HT神經元是對蔗糖的特異性反應，還是更普遍地對無論是哪種價態的情緒顯著性有反應，作者利用味覺計來給予不同的味覺刺激物并觀察DRN5-HT神經元的活性。結果顯示，如果神經元對正效價刺激（蔗糖）的做出反應，它們的反應將與這一刺激的適口性成比例。相反，如果這些神經元對情緒顯著性有反應，它們對奎寧（一種苦味劑，負效價刺激）和蔗糖的反應會比對水的反應更強烈。這些神經元中的大多數都對奎寧和蔗糖都有反應，也有很小一部分的DRN5-HT神經元的只對奎寧或蔗糖有反應，突出了系統的異質性。只有很少一部分的DRN5-HT神經元（16%）對中性價態刺激（聽覺）有反應，將這種中性的聽覺刺激與情緒顯著刺激關聯后能夠募集DRN5-HT神經元對聽覺線索產生反應。

3. DRN5-HT神經元集群對反復的足底電擊形成適應性的變化
接下來，作者檢測了DRN5-HT神經元在足底電擊刺激過程中的反應，這是一種強烈的負效價情緒顯著刺激。第一次電擊導致DRN5-HT神經元活動大幅增加，而對隨后兩次電擊的反應則逐漸減少，DRN5-HT神經元的整體反應隨著這種厭惡刺激的重復呈現而下降。單細胞水平分析顯示，45%的DRN5-HT神經元對足底電極有顯著反應，其中46%的應答細胞在一系列電擊中反應大小也逐漸降低。與蔗糖獎勵實驗一樣，DRN5-HT神經元在足底電擊過程中也形成了高度相關的神經集群，進一步證明了這些集群的存在是DRN5-HT網絡在不同的行為和情緒狀態中的一般屬性。

4.DRN5-HT神經元在高架十字迷宮探索行為中被募集
接下來，作者研究了DRN5-HT神經元在高架高架十字迷宮和社交互動中的活性，這是兩種復雜的情緒顯著行為。動物在高架十字迷宮的開放臂和中心探險時，其DRN5-HT神經元的群體活動顯著高于封閉臂；同樣，在單細胞水平上，動物在開放臂探索時募集的DRN5-HT神經元比在封閉臂探索時要多得多，并且這些神經元的活動與特定的探索行為（如頭部下探、窺視等）是正相關的。值得注意的是，動物在開放臂停留時間、頭部下探次數、窺視次數與開放臂激活的DRN5-HT神經元比例呈負相關。表明，那些將開放臂視為威脅的動物，其DRN5-HT神經元興奮水平更高。

5. DRN5-HT神經元在首次社交互動中被募集
社交互動是另一種情緒顯著行為，為此，作者研究了單個DRN5-HT神經元在社交互動中是如何反應的。雄性小鼠被放置在曠場中，讓它們獨自探索幾分鐘，然后引入一個新的青少年雄性小鼠，雄性小鼠與新小鼠的互動時間在最初互動階段是后續互動的兩倍，其DRN5-HT系統是由第一次社交互動來特異性募集的。與在高架十字迷宮探索過程類似，第一次社交互動激活的DRN5-HT神經元形成了高度相關的神經集群。

6. 混合選擇的DRN5-HT神經元網絡對不同行為做出反應
為了理解DRN5-HT網絡的邏輯，有必要確定DRN5-HT神經元如何對多種行為做出反應，為此，作者監測了單個神經元在不同行為中的反應。結果顯示，不同行為募集的DRN5-HT神經元之間存在著很大程度的混合選擇性和功能異質性，大多數行為在隨機水平上募集了一個中等程度的重疊反應的DRN5-HT神經元，并且存在單個DRN5-HT神經元能夠同時對蔗糖獎勵、足底電擊、高架迷宮以及社交互動這些行為作出反應的情況。因此，在情緒顯著行為中作出反應的DRN5-HT神經元并沒有嚴格按照行為類型、感覺形態或效價進行細分。隨機水平重疊的例外是在高度厭惡（足底電擊）和高度食欲（蔗糖獎勵）行為之間的極端比較，其重疊水平為19%，低于隨機預期。這些結果同樣強調了DRN5-HT神經元在多種行為反應之間的重疊，足底電擊和蔗糖獎勵極端比較的區別，以及DRN5-HT群體的高度異質性。

7. DRN中投射到VTA和BNST的神經元異質且功能偏倚
DRN5-HT神經元通過其廣泛的神經投射來發揮作用。接下來，作者研究了DRN中的特異性投射神經元是否基于對應的神經集群，或者是否更加異質。作者選擇了DRN到終紋床核（Bed Nucleus of the Stria Terminalis, BNST）和DRN到腹側被蓋區（Ventral Tegmental Area, VTA）的兩個強神經投射進行研究，一個與焦慮有關，一個與獎賞行為有關。環路示蹤結果顯示，DRN中投射到BNST和投射到VTA的神經元在解剖學上并不重疊，且這些特異性投射到某個區域的DRN5-HT神經元的相關程度并不相同，與DRN5-HT群體整體相似。這表明，在DRN5-HT網絡中，解剖學上不同的投射本身是異質的。然后，作者通過確定每個投射對不同情緒行為的反應來表征這種異質性的性質。作者發現，兩個投射包含的DRN5-HT神經元對測試的各種情緒行為都有反應，然而，它們對每種行為做出反應的細胞的相對比例是有偏差的。這些亞群的組成是互補的，并且與VTA和BNST在行為中的作用是一致的。向VTA的投射對蔗糖獎勵反應更強，而向BNST的投射對高架十字迷宮中頭部下探、足底電擊和第一次社交互動反應更強。

總結

該研究通過對動物在獎賞、懲罰、焦慮抑郁、社交等情緒顯著行為期間的2000多個5-HT能神經元進行成像，揭示了DRN5-HT系統的幾個關鍵原則。DRN 5-HT神經元很大一部分受到情緒顯著調節。與中性刺激相比，更多的神經元對情緒顯著刺激作出反應，活動規模具有相對顯著性。在網絡層面，離散的集群在長時間尺度上高度相關。單個細胞能夠對個體刺激的不同組合作出反應，并受到效價和感覺形態的一些限制。

研究方法亮點

這項工作闡述了DRN中的5-HT能神經元對不同情緒顯著行為反應的作用機制。該研究用到了在體可視化鈣成像、行為學評估、腦立體定位注射以及免疫組化等實驗技術。瑞沃德深耕生命科學研究領域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務，可提供該研究中涉及的在體可視化鈣成像、行為學評估、腦立體定位注射以及免疫組化等實驗的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外 100 多個國家和地區，客戶涵蓋全 球700+醫院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全 球科研人員發表SCI文章14500+，獲得行業廣泛認可。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.05.015