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【Nature NeuroScience】小鼠也选择正能量!前额叶皮层的SOM+神经元编码了情绪状态的识别

时间:2019-12-27     【原创】   阅读

渐渐的,我们将要挥别2019,迎来崭新的2020了!在过去的2019,我们接受了满满的正能量,大脑的前额叶神经元也会倾向与接受正能量、积极情绪的同伴,滔博生物也会带着满满的正能量协同大家在2020共同进步!
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下面将由小编来为大家说道说道这个大脑前额叶对于“正能量”的选择编码!请需要原文的老师和同学转发、评论和留言吧!


摘要

前额叶皮层(PFC)通过非语言交流参与他人情感状态的加工。这种社会认知功能被认为依赖于完整的皮层神经元兴奋性和抑制性平衡。在这里,科学家将在体电生理技术,inscopix在体超微显微成像技术与小鼠情感状态识别的行为任务(ADT)相结合,展示了在社会探索过程中,mPFC神经元的兴奋性和抑制性取决于神经元的情感状态。这项研究成果由意大利的科学家Francesco Papaleo研究团队发表在Nature Neuroscience上,“Somatostatin interneurons in the prefrontal cortex control affectivestate discrimination in mice”。


通过巧妙的实验设计,通过inscopix在体超微显微成像技术,在体电生理技术和光遗传技术的结合,发现抑制mPFC生长抑素(SOM+),而不是抑制小白蛋白(PV+)中间神经元,可以消除情感状态识别。因此,mPFC SOM+中间神经元的同步激活选择性地诱导社会识别。inscopix在体超微显微成像揭示了,引导锥体神经元抑制的mPFC SOM+中间神经元的同步活动增加与情感状态识别有关。这个发现为情感状态识别的神经生物学机制提供了新的见解。

 

正文

通过对面部和身体表情的感知来理解他人的情绪是一种对日常生活至关重要的能力。情绪识别障碍在许多神经退行性疾病、神经精神疾病和神经发育障碍中很常见。例如,情绪识别缺陷是自闭症谱系障碍(ASD)的核心特征,在精神分裂症中表现得非常明显。这些社会性认知障碍对日常功能的影响可能比非社会性认知缺陷更有害。此外,对这些社会认知缺陷的管理仍然不充分,突显出需要更深入地理解识别他人情感状态的能力背后的机制。 被人类神经成像研究识别的“社交大脑”指的是控制社会认知过程的网络,边缘和额叶区域可能在其中扮演关键角色。特别是,社会认知功能的自上而下的控制可能是由边缘系统上的前额叶皮层(PFC)来协调的。事实上,内侧PFC(MPFC)受损与情绪识别受损有关。因此,PFC是研究这种行为背后的神经生物学机制的一个有吸引力的大脑区域。然而,研究人员对支持情绪识别的PFC神经回路的理解仍然不完整,这主要是由于人类允许的操作的分辨率水平和缺乏翻译模型。 越来越多的证据表明,神经元兴奋和抑制的平衡支配着皮层功能。在ASD和精神分裂症的病因学中,这种平衡的扰动通常被认为是一种可能的最终共同途径。例如,在人类中,ASD患者大脑中经常发现中间神经元密度降低和GABA能信号的改变。与人类的这些发现一致,小鼠mPFC中兴奋性和抑制性平衡的破坏导致了社会探索缺陷和社交能力障碍。此外,其他啮齿动物的研究表明,PFC与不同的社会功能有关,如社会互动、代用冻结、社会等级制度和附属行为。然而,PFC回路及其相关的兴奋和抑制平衡是否参与检测和处理其他情绪状态表达的能力仍不确定。 在此,研究人员提出,mPFC内的抑制性神经元亚群可能对情绪状态识别的加工有不同的贡献。为了探索以细胞类型特定的方式参与情感状态识别的mPFC电路,研究人员使用了一个近似于人类“情绪识别任务”的啮齿动物任务。特别是,这项任务是为了研究小鼠根据情感状态识别同种物质的能力。利用在体电生理和inscopix超微显微成像技术,研究人员证明了mPFC在改变的情感状态下对同种物质有不同的反应。通过光遗传实验和超微显微成像,研究人员获取了不同mPFC神经元亚群参与情绪状态识别的情况。总之,实验数据支持了这样的一个模型,即在mPFC中,生长抑素(SOM+)的同步激活,而不是小白蛋白(PV+)中间神经元或锥体神经元的同步激活,是情感状态区分表达的主要机制。

 

结果

1. 小鼠可以根据改变的情感状态识别同类,情感状态识别是一种不同于社交的稳定特质

 

研究人员设计了一个非常有趣的情感状态识别实验(ADT),“观察者”小鼠会在迷宫里面接触两只陌生的小鼠,这两只小鼠就是”表演者“。1号表演者在实验开始前的进行了23个小时的断水,然后在实验开始前的1个小时恢复饮水,这对小鼠来说是一种积极的情绪。2号表演者呢,在过去的24小时可以随意喝水,这个情绪是中性的。通过行为学的测试发现,”观察者“小鼠更愿借接近1号表演者,是的,小编没有说错哦,小鼠也是愿意接受正能量、积极情绪的同伴的。

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图1 小鼠可以根据改变的情感状态识别同类

 

为了评估情感状态识别的可靠性,让不同的实验人员在天然的小鼠身上重复了几次ADT,并在后来的光遗传学和电生理实验中,在一大群动物(n=96“积极”,n=93“紧张”)中重复了研究人员最初的发现。在天然的动物和植入电极的小鼠中进行的ADT的数据被汇集在一起,并显示为对被操纵的小鼠的探索百分比(积极和紧张,图1I,l)。情感状态识别是一种可靠的可观察行为,只有12%的受测小鼠没有区分处于改变的情感状态或中性情感状态的小鼠(积极,96只中的10只,图1J;紧张,93只中的13只;图1M)。

 

2. 在情感状态改变的同伴探查过程中mPFC神经元活动增强

通过行为学的观察,研究人员发现了动物识别情感状态的现象,那么小鼠是怎么识别出情绪的呢?研究人员通过在体电生理技术记录了mPFC脑区中间神经元的放电变化,发现中间神经元的放电频率增加与识别情绪状态的过程相关。小鼠mPFC参与了情感状态识别,大多数细胞对改变状态的表达有反应。此外,研究人员还发现,在mPFC中,无论是在积极或消极的情感状态下,窄峰电位抑制性中间神经元都比宽峰电位神经元表现出更高的参与和对同种特异性的偏好。

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图2 在情感状态改变的情况下,探索同类时神经元活动增强。

 

为了验证观察到的神经元活动的增加是否与探索不同情感状态下的同种个体有关,研究人员在ADT中使用了两个中性的”表演者”,在探索两个中性“表演者“时,神经元活动没有明显的差异。这一发现支持了mPFC神经元活动增加与情感状态改变的小鼠探索之间的联系。 接下来,研究人员研究了哪种感觉形态可能触发情感状态识别及其相关的mPFC神经元激活。研究人员进行了超声(听觉),完全黑暗环境(视觉)以及从中性,积极和紧张的表演者身上收集了气味(嗅觉)等方面进行了ADT测试,发现听觉在小鼠情感状态识别中的边缘参与;视觉线索可以传达情感信息,但可能是可有可无的;当情绪状态发生改变时,对气味的偏好程度要比实际表现出来的小。总的来说,这些结果表明,mPFC细胞(尤其是窄峰电位细胞)的激活率增加与情感性状态的探索有关。

 

3. 光抑制mPFC PV+中间神经元不影响情感状态识别,光抑制mPFC SOM+中间神经元消除情感状态识别

研究人员的电生理学结果表明,mPFC中的中间神经元起了主要的作用。小白蛋白阳性(PV+)细胞是mPFC中最丰富的中间神经元亚群。为了研究抑制mPFC PV+细胞是否会影响情感状态的识别,研究人员向PV-CRE小鼠的mPFC注射了携带Cre依赖的光遗传病毒(AAV-EF1a-DIO-eNpHR3.0-EYFP),并植入了光纤。SOM+细胞是大脑皮层局部GABA能中间神经元的另一主要亚型。为了研究它们可能参与的行为,研究人员将AAV-EF1a-DIO-eNpHR3.0-EYFP注射到SOM-CRE小鼠的双侧mPFC,并在该区域的植入慢性光纤。结果显示,光抑制mPFC PV+中间神经元不影响情感状态识别,光抑制mPFC SOM+中间神经元消除情感状态识别

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图3 光抑制PV+中间神经元不影响情感状态识别

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图4 光抑制mPFC SOM+中间神经元消除情感状态识别

 

4.    光激活mPFC SOM+中间神经元诱导社会识别,光抑制mPFC锥体神经元并不能消除情感状态识别

接下来,研究人员假设刺激mPFC SOM+中间神经元是否足以在中性状态下诱导同种特异性的区分。为了验证这一假设,研究人员将CRE依赖的通道视紫红质-2载体(AAV-EF1a-DIO-ChR2-EYFP)注入SOM-CRE小鼠的mPFC,并在注射部位植入慢性光纤。通过ADT测试,表明,刺激mPFC内SOM+中间神经元足以诱导社会识别。中间神经元动态地调节锥体神经元的活动,锥体神经元是mPFC中的主要细胞类型。研究人员的电生理学记录表明,当探索处于改变的情感状态的演示者时,宽峰电位锥体细胞也可能表现出更高的活性。然而,这种增加的激活比窄峰电位细胞的激活要小,并且在适应阶段没有克服宽峰电位活动。因此,研究人员将AAV-CaMKIIa-eNpHR3.0-eYFP双侧注射C57/BL6小鼠,并将光纤植入注射部位,以检测锥体细胞活化可能参与ADTs。结果表明,抑制mPFC锥体细胞并不足以完全消除情感状态的识别,也不足以影响一般的社交指数。

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图5 光激活mPFC SOM+中间神经元诱导社会识别

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图6 光抑制mPFC锥体神经元并不能消除情感状态识别

 

5.    情绪状态识别激活SOM+,抑制锥体神经元

为了阐明mPFC SOM+神经元在情感状态识别过程中的生理反应,以及它们的活动如何整合到mPFC神经网络中,研究人员接下来研究了单个SOM+神经元和锥体神经元在ADT过程中的动力学变化。研究人员对表达了基因编码的钙指示(GCaMP)神经元进行在inscopix体超微显微成像。研究人员发现,与紧张过程中SOM+神经元的适应性相比,ADT中Ca2+事件的发生率总体增加(图7b,c)。相比之下,在中性条件下,锥体神经元的Ca2+事件数量明显减少(图7d,e)。更重要的是,对每个ADT范式(即只有中性,缓解和中性,紧张和中性)中单个神经元活动的直接量化表明,SOM +细胞比与中性演示者接触时更活跃 (图7)。

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图7 激活mPFC内SOM+中间神经元并抑制锥体神经元,驱动情感状态识别

 

6.    情绪状态识别触发SOM+中间神经元的同步活动

神经元的协调被认为在信息的传播和处理中起着关键作用,而SOM+中间神经元是节律产生的关键。因此,研究人员评估了SOM+中间神经元或锥体神经元的同步化对情感状态识别的可能影响。通过比较习惯化和ADT条件下的神经元同步活动,发现SOM+中间神经元和锥体神经元在仅有中性演示者的情况下没有差异(图7J)。相比之下,SOM+神经元在缓解ADT和紧张ADT上都显示出比锥体神经元更高的同步性(图7J)。此外,与习惯化阶段相比,只有在情感状态改变的情况下,同步的SOM+对才会增加(图7K)。相比之下,在所有条件下,ADT组的同步锥体对都低于习惯化组(图7k)。最后,缓解和紧张ADTS中SOM+神经元的成对同步性高于单纯中性条件下(图71),而锥体神经元则显示相反的结果(图7L)。这些数据表明,同种情况下情感状态改变的编码与SOM+神经元的激活和同步增加有关,与锥体神经元的抑制增加和同步减少有关(图7M)。 在过往的研究中,表明神经元的同步活动在信息传递和处理中起着关键性的作用,本文的研究人员通过在体电生理技术,光遗传技术和inscopix超微显微成像技术进一步发现了在识别情绪过程中,mPFC的中间神经元和锥体神经元的同步活动都会改变,其中中间神经元的同步化增加更明显。


参考文献:Diego Scheggia, et al., Somatostatin interneurons in the prefrontal cortex control affective state discrimination in mice. NATURE NEUROSCIENCE | VOL 23 | January 2020 | 47–60

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