Nature文章：Inscopix成像揭示杏仁核神經(jīng)元的社交探索編碼機(jī)制

文章簡介
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)男袨榧寄堋４送�，�?dòng)物通過優(yōu)先考慮適當(dāng)?shù)男袨榧寄軄磉m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Inscopix成像觀察到基底外側(cè)杏仁核通過兩個(gè)大型的、功能不相關(guān)的、表現(xiàn)出緩慢動(dòng)態(tài)的合集來編碼探索行為。作者發(fā)現(xiàn)，根據(jù)刺激的顯著性，通過與穩(wěn)定和分層的神經(jīng)元成對(duì)的集合來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BLA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程中提取的參數(shù)(圖1a)的基礎(chǔ)上，作者檢測到五種不同的社會(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“中性行為”來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)�？偟膩碚f，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)；在成像過程中，沒有影響小鼠的社交行為 (圖2g)。通過Inscopix成像發(fā)現(xiàn)BLA的神經(jīng)元在社交探索過程中表現(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)。作者使用與距離測量的相關(guān)性進(jìn)行了無監(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，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，沒有檢測到瞬時(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)間之間的場地空間覆蓋(通過空間占用圖熵估計(jì))，也沒有顯著差異。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。
為了測試社交探索是否能從BLA的群體活動(dòng)中準(zhǔn)確解碼出來，作者訓(xùn)練了一個(gè)線性解碼器來區(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程中檢測到的集合在第二次社交探索過程中穩(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，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)的整體來描述(相關(guān)性為-0.77±0.04)(圖5b)，它們在不同的時(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)小鼠沒有進(jìn)行任何探索行為(稱之為“無空間探索”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)沒有顯著差異(圖5e)。發(fā)現(xiàn)，在社交探索過程中檢測到的高度預(yù)測社交探索行為的神經(jīng)元集合與空間探索行為無關(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)效無關(guān)的方式編碼社交探索行為，通過兩個(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。基于之前的工作，無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，所以行為場境特異性可能是由明顯的外部感覺線索或更高階的場境特異性輸入驅(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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目前公司主營產(chǎn)品是享譽(yù)全球的國際一線領(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無創(chuàng)睡眠檢測系統(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。

成像平臺(tái)：
1.Inscopix自由活動(dòng)超微顯微成像系統(tǒng)

 

2.Bruker雙光子顯微鏡
3.Neurotar Mobile HomeCage 氣浮籠

 

動(dòng)物行為學(xué)平臺(tái)：
1.PiezoSleep無創(chuàng)睡眠檢測系統(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

神經(jīng)電生理：
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)

科研/臨床級(jí)3D打�。�
1.德國envisionTEC 3D Bioplotter生物打印機(jī)
2.韓國Invivo醫(yī)療級(jí)生物打印機(jī)等