医学院苑克鑫/洪波团队揭示觉醒控制的重要丘脑节点-清华大学医学院

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医学院苑克鑫/洪波团队揭示觉醒控制的重要丘脑节点

2023-08-09

与环境之间的互动是动物生命活动的重要内容,其成功实现依赖于动物对自身需求和外部环境的恰当响应。在这一过程中,一般性的大脑觉醒状态,即清醒,被认为是所有动机性行为表达的基础;而与特定动机相关的特异性觉醒状态的出现,则决定了将会被表达的行为的具体类型。如果大脑觉醒状态的调控机制发生了长期性的失调,动物的身体机能乃至生命安全都将会受到严重威胁。

2023年8月8日,清华大学医学院生物医学工程系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、清华大学脑与智能实验室、清华大学类脑计算研究中心苑克鑫课题组与清华大学医学院生物医学工程系、清华大学脑与智能实验室洪波课题组合作在《神经元》(Neuron)发表了题为“负责一般性和防御性觉醒控制的通用丘脑枢纽”(A common thalamic hub for general and defensive arousal control)的研究论文,发现听觉丘脑的内侧部是一般性觉醒神经网络和防御性觉醒神经网络共享的重要丘脑节点。

丘脑坐落于几乎所有哺乳动物大脑的中央,与广泛的大脑皮层和皮层下脑区相互投射,因此被认为是大脑中负责信息上传、下达的中枢脑区,在很多大脑功能中都扮演着重要角色。在包括听、视、体感在内的感觉系统中,来自外周的感觉信息必须经过特定的丘脑亚区才能进入皮层被进一步处理。在中枢听觉系统中,听觉丘脑的内侧部(the medial sector of the auditory thalamus, ATm)是听觉丘脑中的多模态联合(polymodal association)区,与初级听觉丘脑区-内侧膝状体腹侧部(the ventral division of the medial geniculate body, MGBv)和非初级听觉丘脑区-内侧膝状体背侧部(the dorsal division of the medial geniculate body, MGBd)一起构成了完整的听觉丘脑(图1)。

图1.听觉丘脑冠切示意图

苑克鑫课题组于2019年发表的、已被ScienceNature Neuroscience等权威、专业期刊所发表的文章多次引用的连接组学工作(Cai D. et al., Cerebral Cortex 2019)中显示,与MGBd相比,ATm除了同样具有接收多模态感觉输入的潜力外,还与多个已知在内在状态(如觉醒、情绪、决策)调节中发挥重要作用的脑区(如下丘脑、杏仁核、未定带和基底节等)以及被认为是皮层枢纽之一的颞叶联合皮层区(temporal association cortex, TeA)有很强的相互投射。ATm的这种全脑联结模式提示其很可能是一个重要的丘脑节点,在内在状态的维持以及多模态感觉刺激诱发的内在状态切换中扮演重要角色。基于这一推测,苑克鑫课题组研究人员针对ATm的生理学特性和功能展开了研究,并与MGB,尤其是MGBv,进行了系统性比较。

课题组研究人员首先结合转基因小鼠、病毒工具、脑电/肌电记录、以及光纤记录等手段,对ATm和MGBv中的神经元群体在小鼠分别处于清醒、慢波睡眠和快速眼动睡眠期时的活动进行了刻画,发现只有ATm中的神经元活动与皮层激活是显著相关的,并且其活动水平的升高总是提前于睡眠-清醒转换的时间点出现。这些现象提示ATm神经元的活动可能对于睡眠-清醒转换的发生以及清醒(wakefulness or general arousal)状态的维持是重要的。当研究人员使用化学遗传学的方法降低了ATm神经元的活动水平后,小鼠果然表现出了在本应活跃的dark cycle中的慢波睡眠显著增加,清醒显著减少(图2),证实了研究人员的推测。当使用光遗传学方法激活ATm神经元时,即使激光强度非常低,睡眠中的小鼠也会被立刻唤醒。与之形成鲜明对比的是,即使用高强度激光照射MGBv神经元,也观察不到唤醒效应。研究人员进而发现从ATm到TeA的投射通路对于清醒状态的维持是有显著贡献的。

图2. ATm神经元活动对清醒状态的维持有显著贡献

在证实了ATm在清醒状态维持中扮演重要角色后,课题组研究人员结合以上提及的技术手段、脑深部双光子记录以及声音、蓝光刺激,发现只有ATm神经元群体对感觉刺激的响应状态是与感觉刺激诱发的睡眠-清醒转换显著相关的。相反的,感觉刺激诱发的MGBv神经元群体的活动状态则与小鼠的觉醒状态没有显著相关性。当研究人员对ATm神经元进行光遗传学抑制时,声音和蓝光刺激诱发的大脑觉醒概率都被显著降低了(图3),并且分别从ATm到TeA,下丘脑和尾部纹状体的投射通路都做出了贡献。

图3. ATm神经元活动对感觉刺激诱发的大脑觉醒有显著贡献

由于与ATm之间存在双向联结的多个皮层下脑区都与情绪及相关动机行为的调节密切相关,那么ATm所介导的剧烈觉醒水平升高是否与某种特定情绪状态的出现是偶联在一起的呢?为解决这一疑问,课题组研究人员在多种经典行为范式下对ATm神经元进行了光遗传学激活,发现光激活导致了显著的瞳孔放大,焦虑水平提高以及躲避行为的出现(图4)。这提示高水平ATm神经元群体活动会诱发与防御性情绪状态偶联的觉醒,即防御性觉醒(defensive arousal),水平的升高.

图4. 高水平ATm神经元活动同时提升觉醒水平和防御性情绪水平

特定动物行为的表达是建立在一般性觉醒和特异性觉醒状态基础之上的。那么由ATm神经元所介导的一般性和防御性觉醒对于小鼠本能防御性行为的表达是否具有重要意义呢?课题组研究人员使用破伤风毒素选择性地阻断了接收听觉中脑输入的ATm神经元的神经递质释放,发现不但使由声音刺激诱发的回窝行为完全消失了,也使由模拟空中猛禽的黑斑刺激诱发的逃跑-冰冻行为完全消失了(图5)。有趣的是,直接光激活ATm神经元本身并不会使小鼠表达回窝和逃跑-冰冻行为,并且光激活ATm神经元所产生的持续性效应足以使小鼠重新对其已经适应了的感觉刺激表达防御性行为。这些实验结果一方面展示了由ATm神经元活动介导的防御性觉醒对于感觉刺激诱发的本能防御性行为的表达是必不可少的,另一方面确认了ATm神经元的多模态特性。

图5. 感觉刺激诱发的ATm神经元活动对于防御性行为的成功表达必不可少

综上,该项研究发现听觉丘脑的联合区ATm在不同的活动水平下贡献于对不同类型的觉醒的调节,进而贡献于对动物来说至关重要的睡眠-觉醒调控和本能防御性行为的表达。理论上,ATm能够与在一般性觉醒的维持中同样扮演重要角色的、且促进觅食或奖赏相关觉醒的脑区一起协调工作,一方面为所有动机性行为的表达奠定基础,另一方面,当蕴含不同生物学意义的环境线索出现时,促使动物做出恰当的行为决策。另外,该项研究中的发现有潜力揭示在特定神经精神性疾病中睡眠障碍经常与感觉敏感性异常并发这一现象背后的神经机制。

清华大学医学院生物医学工程系苑克鑫课题组2015级博士研究生王易慰为第一作者,2016级博士研究生游玲、2021级博士研究生陈柔妤和2019级博士研究生李玫洁为本文共同第一作者。清华大学医学院生物医学工程系苑克鑫与洪波研究员为共同通讯作者。本研究得到了科技部、国家自然科学基金、北京市科学技术委员会以及清华大学国强研究院的大力支持。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.07.007

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