Science | 好奇心相关的脑回路与特定类型神经细胞相关
撰文：楠烟不可言
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亮点：
本研究发现了一种存在于皮质下的特异性大脑回路，控制好奇心和寻求新奇的行为。丘脑底内侧区（ZIm）的抑制性神经元，这些神经元接收来自前额叶皮质的兴奋型号输入，随后发出开始探索的信号。这一信号在ZM中是由研究动机水平调节的的。ZIm活动的增加通过抑制中脑导水管周围灰质区域而引发深入的调查行为。
近日由英国伦敦大学J. Alexander Heimel研究组在《Science》杂志上发表了一篇名为“A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior”的研究文章。探索自然环境和社会环境对于了解周围世界至关重要。目前人们还不是很了解好奇心和寻求新奇的行为是如何引发构成调查的一系列复杂行为的。在这篇文章中，研究人员在小鼠身上发现丘脑底内侧区（ZIm）的抑制性神经元，这些神经元接收来自前额叶皮质的兴奋型号输入，随后发出开始探索的信号。这一信号在ZM中是由研究动机水平调节的的。ZIm活动的增加通过抑制中脑导水管周围灰质区域而引发深入的调查行为。这篇文章揭示了好奇心和寻求新奇行为引发的动作序列，此外研究还发现了一个新的大脑回路，它通过ZIm的TAC1 抑制性神经元连接PL的兴奋性神经元和lPAG。
动机驱动是一种内部状态，即使在与外部刺激的相似交互作用中也可能不同。好奇心作为寻求新奇的行为是生物调查周围环境的动力，对于生存来说就像饥饿一样重要和内在。好奇、饥饿和食欲攻击驱动了三种不同的目标导向行为：求新、进食和狩猎，这些行为在动物身上往往是相似的。这种行为的相似性使得研究求新行为并将其与非发音动物的进食和狩猎区分开来具有挑战性。这种基本的求生动力、好奇心和求新行为背后的大脑机制尚不清楚。
尽管有成熟的技术来研究老鼠的大脑回路，但在动机行为领域仍有许多争议。目前还不清楚大脑的哪个部分驱动着这种求新行为。研究人员设计一个简单的解决方案来：给鼠标自由选择它想要的东西的双重自由访问选择。通过使用光遗传学、化学遗传学、钙纤维光度测定法、多通道记录电生理学对小鼠进行无物体进入双向选择（FADC）和社会互动试验，和多色mRNA原位杂交，研究发现了一个特异性皮质下大脑回路用于控制好奇和新奇寻求行为。
小鼠为了不同的目的与周围环境中的物体进行互动，比如收集新的信息来测试其可食性或危险性。与新奇物体相比，老鼠与熟悉物体的互动较少。然而，研究人员仍然不是很明确小鼠在研究一个新物体时所采取的行动是否不同于与熟悉物体交互时所采取的行动。研究首先使用自由进入双选择（free-access double-choice, FADC）测试。隐马尔可夫模型（HMM）显示了两种调查行为状态：（i）接近和嗅探，无任何其他交互作用；（ii）接近和嗅探，有进一步交互作用，有高概率咬的可能。进一步的分析表明，在嗅到一个物体后，老鼠继续研究的可能性也要高得多，当这个物体是新的时，与熟悉的时候相比，老鼠会进行啃咬，而其他的转变都没有显著的不同。数据显示，小鼠嗅完后，决定离开研究（熟悉和新奇物体的嗅离概率分别为86%和65%）或以其他动作序列继续研究，这些动作序列大多以啃咬开始（熟悉和新奇物体的嗅离概率分别为9%和30%）。随后研究引入了深度与浅层调查偏好（DSP）以研究小鼠进行深度调查与浅层调查的相对时间。DSP的变化范围为-π/2和π/2，其中-π/2和π/2表示绝对偏好浅层调查和深度调查，0表示同等偏好深层调查和浅层调查。新物体的调查深度比熟悉物体的调查深度要高得多。此外，研究显示γ-氨基丁酸（GABA）能神经元在ZIm中起着重要作用（图1）。
接下来的实验探究了ZIm在调查中是否作用于具体对象。为了回答这个问题，研究人员首先在一个社会调查测试中使用了tdTOM控制小鼠，在这个测试中引入了一种新的同源（intruder）。测试的第一和最后三个周期分别被视为新的和熟悉的周期。与新周期相比，小鼠在熟悉期间中的调查持续时间显著缩短。HMM分析显示了两种调查行为状态：（一）无抓斗的接近和调查；（ii）抓斗和调查。接下来研究在社会调查测试中使用AAV病毒与ChR2和StgTar2激活和抑制ZImGAD2神经元。与tdTOM对照组小鼠相比，社会调查试验中ZImGAD2神经元的激活显示，与入侵者同种的研究性相互作用的持续时间显著增加，包括接近追逐，肛门生殖器面部检查和抓取，但没有引起任何攻击行为或咬伤。相反，社会调查试验中ZImGAD2神经元的失活显示，与同种入侵者的调查相互作用持续时间显著缩短。抑制ZImGAD2神经元（通过在ZImGAD2中表达hM4Di和在ZIm中局部注射CNO）显示了相同的结果：缩短了研究时间和DSP（图2）.
为了检测ZIm中的抑制性神经元在研究行为期间是否自然活跃，研究人员使ZImGAD2神经元表达GCaMP6s，并在物体和社会研究期间记录自由活动小鼠的钙光度测定信号（图3A）。与光遗传学结果一致，钙光度法显示ZImGAD2神经元在深部（P<0.0001）和浅部（P<0.0001）研究期间具有显著的活性，并且在深部研究期间与浅部研究相比显著增加。与食物相互作用时，ZImGAD2神经元的活动与深入研究时的活动相同，但与深入研究时相比，ZImGAD2神经元的活动要少得多。为了检验ZImGAD2神经元的激活是否导致了非特异性和普遍性的积极性觉醒和动机的增加，或者它是否特异性地诱导了研究行为，研究人员将小鼠禁食24小时，以诱导对食物（熟悉的食物）的强烈渴望，而不是新颖的物体研究（在FADC测试中）。对照组小鼠（禁食tdTOM小鼠）表现出对食物的强烈偏好，而禁食小鼠中ZImGAD2神经元的激活显著增加了新物体的研究，并且不影响进食行为（图3）。
接下来，研究人员确定了参与调查行为的ZIm的上游脑区。研究在GAD2-Cre阳性小鼠的ZIm内注射了单突触狂犬病病毒（与先前注射的Cre依赖性辅助病毒）。显微镜下观察到几个投射到ZImGAD2神经元的脑区，其中前鳃皮质（PL）在研究行为中起着关键作用。钙光度法显示PL→ZIm轴突在研究期间活跃，但在深部和浅部调查期间，它们的活性没有显著差异。随后的研究发现了PL的直接投影→ZIm对侦查行为至关重要。在PL中表达hM4Di（以tdtTomato为对照），并通过在ZIm中局部注射CNO使PL失活→ZIm轴突在FADC对象调查和社会调查测试中的应用。PL的失活→ZIm轴突显著降低了调查深度，抑制了物体调查和社会调查。体内电生理学证实了局部注射CNO在抑制输入ZIm的PL方面的高效性。这些结果提示输入到ZIm的PL包含一个动机信号（图4）。
为了确定ZIm下游的研究途径，研究首先在GAD2-Cre阳性小鼠的ZIm中注射Cre依赖的AAV-tdTOM病毒，发现ZImGAD2神经元投射到几个下游脑区，包括中脑运动区（MLR）、脑桥网状结构（PnO），中脑导水管周围灰质（PAG）。利用光遗传学和多通道细胞外记录技术，研究人员探究了ZImGAD2神经元的激活在多大程度上影响这些脑区的神经元活动。结果观察到MLR、PnO和lPAG中部分单位的活性显著减少和增加，抑制lPAG的作用最大。为了找出抑制性ZIm投射在这些脑区中的哪一个在研究行为中起作用，研究在ZImGAD2神经元中病毒表达ChR2，并在FADC客体研究和社会研究测试中，通过光遗传学激活ZIm的轴突终末进入MLR、PnO和lPAG。行为学结果显示ZIm的激活→lPAG投射显著增加了新对象研究和社会研究（与对照tdTOM小鼠相比）以及ZIm的激活→MLR和ZIm→PnO并没有产生同样强烈的影响。然后研究人员将CNO直接注入lPAG以停止ZIm→lPAG抑制投射，30min后，小鼠进行FADC对象调查和社会调查试验。停止ZIm→lPAG抑制性轴突显著减少了对象调查和社会调查的深度和持续时间（图5）。
ZI抑制亚群的多样性是ZI功能多样性的原因之一，研究人员试图确定ZIm的抑制性亚群，并检验它们在调查行为中的相关性。研究人员检测了TAC1是否也在ZIm抑制神经元中表达。使用双荧光原位杂交（FISH），我们发现ZIm中绝大多数（92%）的TAC1 神经元是抑制性的，它们占抑制性（VGAT ）神经元的约11.5%。此外，多条FISH显示TAC1 群体与之前在ZIm中发现的生长抑素阳性（SST ）和小白蛋白阳性（PV ）神经元群体是分离的。接下来，研究通过光遗传学激活这三个抑制亚群来观察ZIm中的哪种抑制细胞类型参与了研究行为。在FADC对象调查和社会调查测试期间，PV 神经元和SST 神经元的激活并未引起调查行为的显著变化。虽然因为样本量较低本研究不能排除PV和SST神经元的影响，但TAC1 神经元的激活明显增加了研究对象和社会调查（图6）。
总而言之，本研究证明了一个驱动调查动机和新奇寻求行为的大脑回路。我们表明，使用一个简单的FADC方法，使得研究人员可以区分调查行为与进食和狩猎，基于此提供了一个强大的策略来研究调查行为背后的大脑回路。结合光遗传学、化学遗传学和钙纤维光度测定，研究发现增加ZIm活性可以增加研究的动机。从PL到ZIm的皮层兴奋性输入传递了非特异性的动机和觉醒水平。
教授介绍
J. Alexander Heimel，视觉神经生物学专家。研究领域主要是使用多种技术，例如电生理学和使用双光子显微镜和显微内窥镜的钙成像技术，来测量小鼠中神经元的反应。他的实验室还通过光遗传学，化学遗传学和药理学方法有选择地干扰视觉处理，以研究视觉基础的神经回路。
参考文献
1、Mehran Ahmadlou1, Janou H. W. Houba1, Jacqueline F. M. van Vierbergen etal. A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatoryand novelty-seeking behavior (2021).https://science.sciencemag.org/content/372/6543/eabe9681
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