文章簡(jiǎn)介
大腦調(diào)控了不同的內(nèi)部狀態(tài)，包括饑餓、焦慮和攻擊性，每一種狀態(tài)都會(huì)改變動(dòng)物的行為。例如，一只饑餓的小鼠會(huì)四處走動(dòng)尋找食物，而焦慮的小鼠會(huì)呆在原地，或者只是猶豫不決地探索周圍的環(huán)境，然而，編碼不同大腦狀態(tài)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)仍不清楚。瑞士弗里德里希·米歇爾生物醫(yī)學(xué)研究所的Andreas Luthi研究組于2021年3月3日在Nature上發(fā)表了題為“State-dependent encoding of exploratory behaviour in the amygdala”的文章，研究人員通過(guò)Inscopix超微顯微成像發(fā)現(xiàn)，小鼠杏仁核中的兩大群神經(jīng)元在探索環(huán)境和進(jìn)行防御行為(如凍結(jié))之間切換時(shí)，表現(xiàn)出了相反的活動(dòng)模式——這一發(fā)現(xiàn)暗示了杏仁核在協(xié)調(diào)大腦狀態(tài)中的關(guān)鍵作用。

摘要
動(dòng)物的行為是由新陳代謝、情感和社會(huì)因素所決定的。根據(jù)狀態(tài)的不同，動(dòng)物會(huì)集中精力躲避威脅、尋找食物或進(jìn)行社交互動(dòng)，并顯示出適當(dāng)?shù)男袨榧寄�。此外，�?dòng)物通過(guò)優(yōu)先考慮適當(dāng)?shù)男袨榧寄軄?lái)適應(yīng)環(huán)境變化的能力決定了動(dòng)物的生存和繁殖。盡管這些狀態(tài)被認(rèn)為與大腦系統(tǒng)的特定功能有關(guān)，但人們對(duì)其基本原理還知之甚少。眾所周知，杏仁核是大腦的一個(gè)區(qū)域，整合了情感、社會(huì)和代謝信息。通過(guò)Inscopix成像觀察到基底外側(cè)杏仁核通過(guò)兩個(gè)大型的、功能不相關(guān)的、表現(xiàn)出緩慢動(dòng)態(tài)的合集來(lái)編碼探索行為。作者發(fā)現(xiàn)，根據(jù)刺激的顯著性，通過(guò)與穩(wěn)定和分層的神經(jīng)元成對(duì)的集合來(lái)編碼空間探索和社交探索。這些發(fā)現(xiàn)表明，基底外側(cè)杏仁核作為一個(gè)低維度的，但環(huán)境依賴的分層分類器，編碼依賴狀態(tài)的行為信息。這種編碼功能在健康和疾病的內(nèi)部狀態(tài)的調(diào)節(jié)中有一個(gè)基本的作用。

創(chuàng)新點(diǎn)
在此項(xiàng)研究中，作者Lüthi使用Inscopix自由行為顯微成像方法對(duì)小鼠的深部腦區(qū)進(jìn)行神經(jīng)元成像采集，當(dāng)小鼠參與空間或社交探索時(shí)，Inscopix成像記錄了基底外側(cè)杏仁核的神經(jīng)元是如何調(diào)控社交探索行為的編碼。而且因?yàn)榫�神疾病伴隨著大腦狀態(tài)的改變，了解大腦如何在狀態(tài)之間切換可能有助于找出這些疾病的錯(cuò)誤之處，并找出緩解功能失調(diào)行為的潛在策略。

實(shí)驗(yàn)背景
人類的情緒狀態(tài)被認(rèn)為是由大腦范圍內(nèi)的神經(jīng)環(huán)路調(diào)節(jié)的，歷史上被稱為“邊緣系統(tǒng)”。這個(gè)神經(jīng)環(huán)路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一是杏仁核，它是一個(gè)皮層下區(qū)域，與大腦的許多區(qū)域緊密相連。大量的文獻(xiàn)表明，杏仁核基底外側(cè)核(BLA)對(duì)于處理感覺(jué)輸入和環(huán)境因素后表現(xiàn)的情感價(jià)值具有重要作用。最近，有研究表明，BLA的主要神經(jīng)元不僅對(duì)條件線索做出反應(yīng)，還反映了由這些線索誘發(fā)的持續(xù)行為，以及自我調(diào)節(jié)的行為。這些先前的研究可能表明，BLA在定義動(dòng)物的某一種狀態(tài)時(shí)，決定了大腦如何對(duì)感覺(jué)輸入或環(huán)境因素進(jìn)行編碼，以及這些信息如何轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)男袨椴呗浴?br /> 具有明顯行為后果的最顯著的外部刺激之一是特異性的存在。對(duì)人類的研究已經(jīng)確定，杏仁核是“社會(huì)大腦”的一個(gè)重要部分，它與編碼社會(huì)距離、處理面部情感和注視眼睛區(qū)域有關(guān)，而且在自閉癥障礙患者中，杏仁核是失調(diào)的，這與BLA在調(diào)節(jié)嚙齒動(dòng)物社會(huì)行為中的作用一致，社會(huì)互動(dòng)導(dǎo)致活動(dòng)依賴的即時(shí)早期基因的誘導(dǎo)，而B(niǎo)LA的功能失活促進(jìn)了社會(huì)互動(dòng)，這表明BLA專門調(diào)節(jié)社會(huì)互動(dòng)的厭惡方面。
 
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
BLA中神經(jīng)元的大規(guī)模集合的活動(dòng)與動(dòng)物在探索和防御行為中的參與有關(guān)，問(wèn)題是，BLA是否僅僅反映了動(dòng)物與環(huán)境的互動(dòng)(獨(dú)立于它與物體的相互作用)，還是它不同地編碼了行為環(huán)境。作者假設(shè)，如果BLA參與了一種狀態(tài)的調(diào)節(jié)，這種狀態(tài)反映了動(dòng)物所處的環(huán)境，并與適當(dāng)?shù)男袨橄到y(tǒng)相關(guān)聯(lián)，那么另一種動(dòng)物的出現(xiàn)應(yīng)該會(huì)對(duì)BLA代表探索行為的方式產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。
 
實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
為了捕捉自然的社交行為，作者建立了一個(gè)行為范式，在實(shí)驗(yàn)小鼠短期適應(yīng)環(huán)境后，允許兩只自由行為的小鼠在一個(gè)中性環(huán)境中互動(dòng)8-9分鐘。在直接從行為追蹤過(guò)程中提取的參數(shù)(圖1a)的基礎(chǔ)上，作者檢測(cè)到五種不同的社會(huì)行為：接近、發(fā)起互動(dòng)、交互互動(dòng)、逃避和攻擊，以及凍結(jié)狀態(tài)。凍結(jié)狀態(tài)是由非社會(huì)線索和社會(huì)線索引起的(分別占總時(shí)間的1.6±0.3%和2.5±0.4%;配對(duì)t檢驗(yàn)，t18 = 1.9, P = 0.06, n = 19只小鼠)。作者使用術(shù)語(yǔ)“中性行為”來(lái)指代小鼠不參與任何這些行為，但正在探索環(huán)境或自我梳理的時(shí)間，這導(dǎo)致了兩個(gè)小鼠行為的連續(xù)表征(圖1b)。小鼠最初表現(xiàn)出較高的凍結(jié)水平，然后迅速下降，然后在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持在較低水平。小鼠在社交的前2分鐘中花費(fèi)了22.0±3.5%的時(shí)間進(jìn)行互動(dòng)，隨后在社交的最后2分鐘下降到了11.8±1.8%(圖1d)�？偟膩�(lái)說(shuō)，小鼠表現(xiàn)出很少的攻擊行為，社會(huì)互動(dòng)通常是相互發(fā)起的，往復(fù)的或引發(fā)的回避行為(圖1e)，這表明，自然的社交行為實(shí)驗(yàn)條件下，社交互動(dòng)具有積極和消極的價(jià)值。

圖1 自由行為社交探索中的BLA成像

作者使用Inscopix超微顯微鏡對(duì)BLA的神經(jīng)元進(jìn)行深腦成像，BLA的神經(jīng)元使用GCaMP6f標(biāo)記(圖2e, f)；在成像過(guò)程中，沒(méi)有影響小鼠的社交行為 (圖2g)。通過(guò)Inscopix成像發(fā)現(xiàn)BLA的神經(jīng)元在社交探索過(guò)程中表現(xiàn)出明顯變化，并表現(xiàn)出高度多樣的活動(dòng)模式(圖2)。

圖2 動(dòng)物社交行為時(shí)的Inscopix深部腦成像

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
BLA神經(jīng)元的群體活動(dòng)與社交探索的關(guān)系
在社會(huì)互動(dòng)過(guò)程中(圖3a)，單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)之間的絕對(duì)成對(duì)相關(guān)性普遍較低(0.1±0.004,n = 10只小鼠)；然而，在群體水平上，作者觀察到相關(guān)的活動(dòng)模式在整個(gè)過(guò)程中隨著慢時(shí)間尺度的變化而變化，并被大型神經(jīng)元系統(tǒng)所共享(圖3b)。作者使用與距離測(cè)量的相關(guān)性進(jìn)行了無(wú)監(jiān)督的k-means聚類，將整個(gè)神經(jīng)元群體劃分為兩個(gè)空間混合的集群，其獨(dú)立于小鼠的行為。兩個(gè)集群的平均活動(dòng)顯示出精確到秒的時(shí)間尺度上的，顯著的相關(guān)活動(dòng)模式(相關(guān)性為-0.76±0.04)(圖3b)，小鼠的行為與這兩個(gè)集群的相對(duì)活動(dòng)之間具有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中一組顯示在社交探索時(shí)期活動(dòng)增加(包括接近、互動(dòng)和回避行為；第二組在小鼠不參與社交探索行為的時(shí)期選擇性地表現(xiàn)出更強(qiáng)的活動(dòng)(稱為“不參與社交探索”的集合)(圖3b-e)。社交探索整體的激活既不是特定于發(fā)起互動(dòng)的小鼠的身份(發(fā)起的互動(dòng)與回報(bào)的互動(dòng))，也不是特定于互動(dòng)的價(jià)值(攻擊性與非攻擊性的互動(dòng))(圖3f)。這表明，社交探索整體的活動(dòng)主要反映的不是效價(jià)，而是小鼠與它們的群體的參與。

圖3 BLA集群編碼的社交探索

社交探索時(shí)期的特定行為是否可能是BLA神經(jīng)元激活的潛在驅(qū)動(dòng)因素？
接下來(lái)，作者討論了社交探索時(shí)期的特定運(yùn)動(dòng)是否可能是整體激活的潛在驅(qū)動(dòng)因素。在兩種組合高度相對(duì)激活的時(shí)期，小鼠的瞬時(shí)速度分布是相似的，社交探索組合對(duì)較低速度的偏差較小。因此，沒(méi)有檢測(cè)到瞬時(shí)速度和整體活動(dòng)之間的相關(guān)性(10只小鼠中有8只)或相關(guān)性很弱。作者比較了兩個(gè)集合激活時(shí)間之間的場(chǎng)地空間覆蓋(通過(guò)空間占用圖熵估計(jì))，也沒(méi)有顯著差異。綜上所述，社交探索整體的激活并不反映社交探索過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的增加(或減少)。當(dāng)作者將整個(gè)神經(jīng)元群體劃分為三個(gè)整體時(shí)，作者找不到關(guān)于效價(jià)或特定的社交探索行為的信息。此外，與抑制相關(guān)的活動(dòng)在神經(jīng)元總數(shù)中所占比例很大，這表明社交探索是由大的神經(jīng)元集合編碼的。
為了測(cè)試社交探索是否能從BLA的群體活動(dòng)中準(zhǔn)確解碼出來(lái)，作者訓(xùn)練了一個(gè)線性解碼器來(lái)區(qū)分社交探索和中性行為(圖3g)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試時(shí)解碼器性能較高，對(duì)打亂或循環(huán)移位數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試時(shí)解碼器性能下降(圖3h)。
為了評(píng)估社交探索神經(jīng)元表征的穩(wěn)定性和特異性，在第一次社交探索后三天，小鼠被暴露在不同的特異環(huán)境中(圖3i)。在第一次社交探索過(guò)程中檢測(cè)到的集合在第二次社交探索過(guò)程中穩(wěn)健地捕捉到了社交探索行為，這表明社交探索表征在不同的時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，并且不隨刺激小鼠的身份而變化(圖3j)。因此，當(dāng)作者在第2個(gè)社交探索階段直接定義集成時(shí)，大多數(shù)神經(jīng)元在整個(gè)會(huì)話中有保持，而在兩個(gè)社交探索階段中簇成員不穩(wěn)定的神經(jīng)元與其集成平均活動(dòng)的相關(guān)性更弱(圖3k，4a-c)。
在單神經(jīng)元水平上，31.0±4.0%的神經(jīng)元被社交探索行為調(diào)節(jié)，并且同樣分布在“社交探索”和“非社交探索”階段的激活之間(4d, e)，與神經(jīng)元的整體隸屬度總體一致(4f)。在兩個(gè)社交探索階段中，單個(gè)神經(jīng)元與社會(huì)行為的對(duì)應(yīng)關(guān)系是穩(wěn)定的(4g)。值得注意的是，一些被社交探索激活的神經(jīng)元被特定行為不同地激活，這表明了在單神經(jīng)元水平上對(duì)特定行為的更詳細(xì)的特征(4h)。

圖4 單神經(jīng)元相關(guān)的社交行為

社交探索和空間探索是否由相同的神經(jīng)集群編碼？
接下來(lái)，作者研究了社交探索和空間探索是否由相同的集群編碼，這可能反映了小鼠更普遍的探索狀態(tài)。作者比較了BLA在社交探索中和24h后在同一場(chǎng)所的空間探索期間的神經(jīng)元群體活動(dòng)，在空間探索期間，小鼠可以探索環(huán)境和一個(gè)靜止的物體(圖5a)。與之前的研究結(jié)果一致，空間探索期間的群體活動(dòng)可以類似地用兩個(gè)大的、逆相關(guān)的、慢動(dòng)力學(xué)的整體來(lái)描述(相關(guān)性為-0.77±0.04)(圖5b)，它們?cè)诓煌�的時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。其中的一群神經(jīng)元，不僅在小鼠探索物體時(shí)，而且時(shí)探索整個(gè)環(huán)境(稱之為“空間探索”組)期間表現(xiàn)出更強(qiáng)的活動(dòng)能力；當(dāng)小鼠沒(méi)有進(jìn)行任何探索行為(稱之為“無(wú)空間探索”集合)時(shí)，另外一群神經(jīng)元顯示出選擇性的活動(dòng)增加(圖5c)。由空間占用圖熵量化的區(qū)域范圍 (圖5c)，當(dāng)空間探索群體激活時(shí)，區(qū)域范圍顯著高于無(wú)空間探索集成激活時(shí)(圖5d)。將自動(dòng)行為描述與特定行為的手動(dòng)評(píng)分相結(jié)合，作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間探索群體處于活躍狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)直立或與對(duì)象互動(dòng)等探索性行為，而另一群神經(jīng)元的活動(dòng)與自我行為(如梳理和凍結(jié))或非探索性行為有較高的相關(guān)性，與小鼠在環(huán)景中的位置無(wú)關(guān)。
與重復(fù)的空間或社交探索的穩(wěn)定性相比，在空間和社交探索實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)和群體平均活動(dòng)之間的相關(guān)性僅有微弱關(guān)系(圖5e，f)，神經(jīng)元同時(shí)成為空間探索和社交探索組合群體的概率與機(jī)會(huì)沒(méi)有顯著差異(圖5e)。發(fā)現(xiàn)，在社交探索過(guò)程中檢測(cè)到的高度預(yù)測(cè)社交探索行為的神經(jīng)元集合與空間探索行為無(wú)關(guān)，反之亦然(圖5g)。

圖5 與條件相關(guān)的探索編碼

空間探索行為是否以及如何在神經(jīng)元群體水平上進(jìn)行編碼？
在社交探索階段，當(dāng)小鼠不參與社交探索時(shí)，它們表現(xiàn)出了典型的與空間探索相關(guān)的行為(比如直立)。因此，問(wèn)題就產(chǎn)生了：在同種物種存在的情況下，空間探索行為是否以及如何在神經(jīng)元群體水平上進(jìn)行編碼。當(dāng)小鼠不參與社交探索時(shí)，空間探索集群的激活與更大的環(huán)境覆蓋范圍不一致，這表明另一只小鼠的出現(xiàn)導(dǎo)致空間探索行為策略的改變(圖5h, i)�？臻g探索集群的激活與小鼠直立相關(guān)，而非空間探索群體的激活與梳理相關(guān)(圖5i)。然后，作者根據(jù)在空間探索階段的集群活動(dòng)情況，將神經(jīng)元分為社會(huì)性和非社會(huì)性探索集合。在小鼠不參與社交探索的時(shí)期，只有屬于非社交探索整體的亞群顯示出更高的關(guān)系，這些亞種群表現(xiàn)出了一致的空間探索編碼和自我中心行為，而與另一只小鼠的存在或不存在是無(wú)關(guān)的。
 
結(jié)論
綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明了神經(jīng)元重新分配以整合不同行為環(huán)境的潛在邏輯，即BLA優(yōu)先考慮社交線索。此外，研究結(jié)果表明，BLA以一種與價(jià)效無(wú)關(guān)的方式編碼社交探索行為，通過(guò)兩個(gè)大型的、功能不相關(guān)的、表現(xiàn)出慢動(dòng)力學(xué)的集群。這一結(jié)果與之前的基于BLA的神經(jīng)元的多效價(jià)編碼的證據(jù)一致。逆相關(guān)整體的緩慢動(dòng)態(tài)是特定于BLA，還是涉及調(diào)節(jié)注意力和學(xué)習(xí)的更大的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的普遍特性，仍有待探索。
社交探索和空間探索行為在BLA中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性�；�于之前的工作，無(wú)論是空間還是社交探索，會(huì)有同樣的BLA組合編碼。然而，研究結(jié)果表明，在一種探索行為中處于活躍狀態(tài)的神經(jīng)元的隸屬度并不能預(yù)測(cè)其與另一種探索行為的關(guān)聯(lián)。與這個(gè)概念相一致的是，非常相似的運(yùn)動(dòng)行為——比如接近一個(gè)物體或一個(gè)小鼠——由正交的神經(jīng)元集合表示。
然而，一個(gè)與社交探索無(wú)關(guān)的神經(jīng)元子集在行為情境(即同種個(gè)體的存在或缺失)中持續(xù)編碼空間探索和自我行為。在另一只小鼠面前，同時(shí)屬于空間和社交探索集合的神經(jīng)元對(duì)空間探索行為不感興趣，這一事實(shí)強(qiáng)烈表明，BLA神經(jīng)元亞群對(duì)編碼不同類型探索行為的集合具有顯著依賴性和層次分配。
因?yàn)樯缃惶剿骱涂臻g探索的集合似乎是從BLA中相同的神經(jīng)元群中隨機(jī)抽取的，所以行為場(chǎng)境特異性可能是由明顯的外部感覺(jué)線索或更高階的場(chǎng)境特異性輸入驅(qū)動(dòng)的，至少在一定程度上是這樣。因此，社會(huì)線索的顯著性可以解釋神經(jīng)元對(duì)社會(huì)和空間探索集合的層次分配。通過(guò)局部抑制性微環(huán)路處理和解析這些輸入，以及神經(jīng)調(diào)節(jié)，可能有助于BLA整體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
研究結(jié)果表明，在小鼠中，BLA作為一種低維、靈活并分層的分類器，編碼動(dòng)物的狀態(tài)，如其作為外部世界的功能的探索行為的參與所定義。杏仁核——通過(guò)它與許多皮層的關(guān)聯(lián)，以及皮層下區(qū)域和神經(jīng)調(diào)節(jié)的目標(biāo)的廣泛連接——可以在更大的大腦系統(tǒng)中傳播狀態(tài)信號(hào)，從而協(xié)調(diào)和優(yōu)先處理與環(huán)境相關(guān)的的感知、行動(dòng)選擇和學(xué)習(xí)的大腦活動(dòng)。


參考文獻(xiàn)
Maria Sol Fustinana, et al. State-dependent encoding of exploratory behaviour in the amygdala. Nature(2021)

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目前公司主營(yíng)產(chǎn)品是享譽(yù)全球的國(guó)際一線領(lǐng)導(dǎo)品牌，主要有：Inscopix自由活動(dòng)超微顯微成像系統(tǒng)，Bruker多光子顯微鏡，功能神經(jīng)外科電生理平臺(tái)，動(dòng)物行為系統(tǒng)（自身給藥、條件恐懼、斯金納、睡眠剝奪、經(jīng)典迷宮等），PiezoSleep無(wú)創(chuàng)睡眠檢測(cè)系統(tǒng)，NeuroNexus神經(jīng)電極，電生理信號(hào)采集系統(tǒng)，膜片鉗系統(tǒng)，雙光子顯微鏡等。這些儀器設(shè)備都是科學(xué)研究所必備且不可替代的基礎(chǔ)儀器之一。

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1.PiezoSleep無(wú)創(chuàng)睡眠檢測(cè)系統(tǒng)
2.自身給藥、條件恐懼、斯金納、睡眠剝奪、跑步機(jī)、各類經(jīng)典迷宮等

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1.NeuroNexus神經(jīng)電極
2.多通道電生理信號(hào)采集系統(tǒng)
3.膜片鉗系統(tǒng)

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1.德國(guó)envisionTEC 3D Bioplotter生物打印機(jī)
2.韓國(guó)Invivo醫(yī)療級(jí)生物打印機(jī)等