【Nature Neuroscience】“快樂分子”多巴胺幫你規(guī)避危險信號
隨著科普活動的開展，“多巴胺”這個名詞早已不是大家聞所未聞的生僻詞匯。多巴胺是一種神經(jīng)傳導物質(zhì)，與人的情緒、感覺密切相關。它傳遞興奮和開心的信息，因此多巴胺與各種成癮行為均有關聯(lián)。
在腦中，多巴胺由中腦多巴胺能神經(jīng)元分泌，這些神經(jīng)元主要分布于腹側(cè)被蓋區(qū)和黑質(zhì)。大量研究表明多數(shù)多巴胺能神經(jīng)元被獎賞性刺激激活，也被厭惡性刺激抑制[1]。
然而，一些多巴胺神經(jīng)元可被非獎賞性刺激激活，如黑質(zhì)致密區(qū)中的部分多巴胺神經(jīng)元可同時被興奮性、厭惡性刺激激活[2]，那么這些多巴胺能神經(jīng)元的功能是如何呢？
最近，大量研究借助神經(jīng)元示蹤、光纖鈣成像技術，發(fā)現(xiàn)紋狀體的不同亞區(qū)接收不同的多巴胺信號：投射到腹側(cè)紋狀體（VS）的多巴胺能神經(jīng)元被獎賞刺激激活，而投射到尾端紋狀體（TS）的多巴胺能神經(jīng)元被中性、厭惡性刺激激活[3]，研究這些神經(jīng)元的生理功能對于理解多巴胺能神經(jīng)元至關重要。
投射到紋狀體各個亞區(qū)的多巴胺神經(jīng)元[3]
2018年9月3日，《Nature Neuroscience》雜志在線刊登了哈佛大學N. Uchida研究組的最新重要工作，他們發(fā)現(xiàn)投射到尾端紋狀體（TS）的多巴胺能神經(jīng)元參與并調(diào)控外界厭惡性刺激的躲避行為，且與獎賞性行為無關。本篇文章首次解讀了投射到TS多巴胺能神經(jīng)元的功能機制，極大提高了人們對該領域的認知。
M. Watabe-Uchida教授（左一）、N. Uchida教授（右一）
1.多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射編碼外界刺激強度
為研究多巴胺能神經(jīng)元不同下游在不同行為中的神經(jīng)活性變化，作者使用光纖鈣成像方法，在DAT-Cre小鼠的腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）與黑質(zhì)（SN）中注射AAV-DIO-GCaMP，并在VS或TS亞區(qū)埋植光纖。
實驗結果發(fā)現(xiàn)，VS亞區(qū)的投射被水滴（獎賞性刺激）顯著激活，而對聲音刺激反應很?；蠂?，TS亞區(qū)的投射被聲音刺激顯著激活，而對獎勵性的水滴無反應（圖1a-b）。由于聲音刺激一定程度上是一種厭惡刺激，于是作者接下來嘗試多種厭惡性刺激，發(fā)現(xiàn)TS的投射對苦味飲水或預期水滴撤回無反應，而是被視、聽、嗅、觸等強烈外部刺激激活；與此不同，VS的投射被每種厭惡性刺激抑制（圖1e）。
這些結果提示，TS的多巴胺投射不參與喜惡刺激，而是參與外界感覺刺激的反應。
圖1 多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射編碼外界刺激強度而非效價估量
接下來，作者對發(fā)出投射的多巴胺能神經(jīng)元胞體展開研究。作者使用狂犬病毒逆行示蹤方法，發(fā)現(xiàn)投射到TS的多巴胺能神經(jīng)元集中于黑質(zhì)側(cè)部，而且這些神經(jīng)元不投射到其它腦區(qū)（圖2）。然后作者重復上文光纖鈣成像方法，在SNL記錄投射到TS的多巴胺能神經(jīng)元胞體，發(fā)現(xiàn)與TS投射的現(xiàn)象相似，SNL被聲音激活而對獎賞性水滴無反應（圖1c-d）。
綜上，SNL-TS多巴胺能神經(jīng)元環(huán)路不參與獎賞或厭惡的效價估量，而是參與外界刺激強度的編碼。
圖2 投射到TS的多巴胺能神經(jīng)元位于SNL且不投射到其它腦區(qū)
2.激活多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射誘發(fā)躲避行為
科學界普遍認為，多巴胺能神經(jīng)元的激活是一種正反饋增強。換句話說，多巴胺的釋放增加了機體做出提高多巴胺釋放水平的行為或決策[4, 5]。然而前文的結果表明投射到TS的多巴胺能神經(jīng)元很可能有其他功能，作者就此展開研究。
他們在DAT-Cre小鼠的中腦注射AAV-DIO-ChR2，在VS或TS埋植光纖（圖3a）。他們建立一種行為學范式，小鼠在接收信號后會在兩側(cè)選擇水源，其中一側(cè)正常提供，另一側(cè)在供水的同時附帶條件，如加量供水、吹氣、摻苦味劑等等（圖3b）。與正常供水側(cè)相比，小鼠傾向于加量供水一側(cè)，而避開吹氣、苦水一側(cè)（圖3c）。當附加條件為LED藍光激活時，作者發(fā)現(xiàn)小鼠傾向于光激活VS投射一側(cè)，而避開光激活TS投射一側(cè)（圖3d），表明多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射調(diào)控躲避行為，而非正反饋增強。
圖3 激活多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射誘發(fā)躲避行為
3.損毀多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射減少威脅性刺激躲避行為
接下來，作者研究損毀TS投射對小鼠帶來的影響。他們在TS埋管注入神經(jīng)毒素6-羥基多巴胺（6-OHDA），從而殺死SNL的多巴胺能神經(jīng)元胞體（圖4a）。作者繼續(xù)使用上文行為學范式（圖4b），發(fā)現(xiàn)殺死投射到TS的多巴胺神經(jīng)元后，小鼠仍然躲避苦水與少量供水一側(cè)，但是不再躲避吹氣一側(cè)（圖4c-d）。然后，他們在TS注射多巴胺1型受體拮抗劑，重復了上述現(xiàn)象（圖4e-f）。這些結果表明多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射在躲避威脅性刺激行為過程中具有必要性，而且此功能通過多巴胺1型受體調(diào)控。
圖4 損毀多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射減少威脅性刺激躲避行為
4.損毀多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射不影響初次躲避行為
在上文行為中，作者還發(fā)現(xiàn)了一個意外的現(xiàn)象。在供水側(cè)附加吹氣初始階段，殺死TS投射的小鼠與對照組小鼠均會產(chǎn)生躲避行為。然而隨著實驗次數(shù)的提升，對照組小鼠維持著躲避現(xiàn)象，但殺死TS投射的小鼠不再躲避這一側(cè)（圖5a-c）。光纖鈣成像結果顯示，面對吹氣刺激，無論第一次還是后續(xù)實驗，多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射均被激活（圖5d-f）。
上述結果表明，存在神經(jīng)系統(tǒng)負責調(diào)控初次面對外界威脅性刺激的反應[6]，而投射到TS的多巴胺系統(tǒng)負責躲避行為的維持。
圖5 損毀多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射不影響初次躲避行為
5.多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射強化鞏固小鼠對新事物的躲避行為
上文結果顯示多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射參與并調(diào)控威脅性刺激的躲避行為，然而吹氣、聲音等刺激不僅僅是威脅性刺激，也屬于新奇事物范疇。在新奇事物探索這一方面，作者展開如下研究。
他們首先建立了新奇事物探索行為學范式，發(fā)現(xiàn)小鼠發(fā)現(xiàn)新物體時，會先去接近它，然后迅速撤退，如此反復；而熟悉的物體不會誘發(fā)此種現(xiàn)象（圖6a）。TS亞區(qū)的光纖鈣成像結果顯示，在小鼠剛剛作出撤退行為時，多巴胺能神經(jīng)元TS投射被激活，而在接觸、探索時無反應；同樣地，熟悉的物體不會誘發(fā)此現(xiàn)象（圖6b-c）。
圖6 多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射在小鼠撤退時而非探索新奇事物時被激活
最后，為研究多巴胺能神經(jīng)元到TS投射在新奇事物探索方面的調(diào)控，他們通過6-OHDA殺死或通過ChR2光激活TS投射，發(fā)現(xiàn)殺死多巴胺系統(tǒng)TS投射不影響新奇事物初次探索的躲避，而顯著減少后續(xù)實驗的躲避行為（圖7a-b）；與之相反，光激活多巴胺系統(tǒng)TS投射增加小鼠對新奇事物的躲避行為（圖7c）。
綜上，多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射參與并調(diào)控對新奇事物躲避行為的強化過程，對此功能具有充要性。
圖7 損毀多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射減少新事物躲避行為，激活此環(huán)路增加躲避行為
多巴胺是一種神經(jīng)傳導物質(zhì)，與人的多種情緒、感覺息息相關。投射到腹側(cè)紋狀體（VS）的多巴胺能神經(jīng)元被獎賞刺激激活，指引九游會j9尋找快樂。而對于投射到尾端紋狀體（TS）的多巴胺能神經(jīng)元的功能，九游會j9尚未可知。本篇文章結合光遺傳、神經(jīng)示蹤、行為學等方法，首次發(fā)現(xiàn)多巴胺能神經(jīng)元到TS的投射參與威脅性刺激的躲避行為，而與獎賞性刺激無關。激活此投射誘發(fā)躲避行為，而損毀這一投射減少躲避行為。這項研究極大提高了九游會j9在多巴胺系統(tǒng)功能領域的認知，揭示了多巴胺系統(tǒng)的兩條并行環(huán)路（圖8），讓九游會j9了解到多巴胺系統(tǒng)不僅是照亮寶藏的燈塔，更是規(guī)避危險的警鐘！
圖8 多巴胺系統(tǒng)的兩條并行環(huán)路
九游會j9生物 一直關注神經(jīng)、代謝、腫瘤科學領域的重大研究進展，為神經(jīng)生理、病理研究提供最新工具和研究方案，助力臨床轉(zhuǎn)化和基因治療！
參考文獻
1.Matsumoto, H., et al., Midbrain dopamine neurons signal aversion in a reward-context-dependent manner. Elife, 2016. 5.
2.Matsumoto, M. and O. Hikosaka, Two types of dopamine neuron distinctly convey positive and negative motivational signals. Nature, 2009. 459(7248): p. 837-U4.
3.Menegas, W., et al., Opposite initialization to novel cues in dopamine signaling in ventral and posterior striatum in mice. Elife, 2017. 6.
4.Schultz, W., P. Dayan, and P.R. Montague, A neural substrate of prediction and reward. Science, 1997. 275(5306): p. 1593-9.
5.Bayer, H.M. and P.W. Glimcher, Midbrain dopamine neurons encode a quantitative reward prediction error signal. Neuron, 2005. 47(1): p. 129-41.
6.LeDoux, J. and N.D. Daw, Surviving threats: neural circuit and computational implications of a new taxonomy of defensive behaviour. Nat Rev Neurosci, 2018. 19(5): p. 269-282.
