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滔搏生物 |【Neuron】单细胞成像揭示调控情绪行为的5-羟色胺神经元特性

发布日期:2022-07-05  浏览次数:122

2022年6月13日哥伦比亚大学Bradley R. Miller研究团队在Neuron杂志发表了题为“Single-cell activity and network properties of dorsal raphe nucleus serotonin neurons during emotionally salient behaviors”的研究,研究团队测试小鼠进行多个行为活动,使用Inscopix自由活动钙成像显微镜观察DRN5-HT神经元群,确定了单细胞水平的高度混合选择性和投射神经环路功能的偏倚性实现选择性响应情绪相关的行为

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摘要

5-羟色胺系统调节各种情绪行为和状态,包括奖赏处理、焦虑和社交。为了揭示神经活动的潜在模式,研究人员使用Inscopix自由活动钙成像显微镜观察了小鼠不同情绪行为期间的中缝背核5-羟色胺能神经元(DRN5-HT)活动。研究人员发现了具有高度相关活动的细胞群,并发现DRN5-HT神经元优先被情绪显著刺激而不是中性刺激所激活。单个DRN5-HT神经元对显著刺激的不同组合作出反应,对效价和感觉模态有一定偏好。解剖学定义的投射到奖赏相关结构(腹侧被盖区-VTA)或焦虑相关结构(终纹床核-BNET)的亚群包含所有反应类型,但分别富含奖赏和焦虑反应细胞。

本项研究结果表明,中缝背核5-羟色胺系统对情绪显著性的反应是使用具有混合选择性和下游连接偏倚的集合

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5 -羟色胺是一种神经调节性神经递质,产生于脑干中缝核,并在整个神经系统中释放。5 -羟色胺能系统涉及广泛的行为,包括情感行为,如对奖励的反应,惩罚,焦虑和抑郁相关行为,社交,攻击,以及学习效率。确定复杂的5 -羟色胺系统如何调节如此多样的行为是神经科学的一个基本目标,也是精神病学中需要解决的一个基本问题。目前,全世界有数百万人在使用调节5 -羟色胺的药物治疗抑郁和焦虑,却没有考虑到系统的复杂性。

在哺乳动物中,中缝背核(DRN)是前脑5 -羟色胺的主要来源。其在小鼠脑内的约9000个5 -羟色胺能神经元,在生理学、神经化学、发育轨迹和下游靶点方面各不相同。

研究人员对情绪行为中DRN5-HT神经环路属性以及潜在的统一主题的理解仍存在重大差距。其中许多差距的存在是因为DRN5-HT群体在不同行为中没有以单细胞分辨率成像。因此,研究人员对DRN进行了Inscopix自由活动钙成像显微观察。这使得研究人员能够同时成像成百上千个DRN5-HT神经元的活动,并通过多种行为长时程跟踪它们的活动。

研究人员总共对超过2000个基因确定的血清素能神经元进行了成像。在这种规模的情绪行为中应用Inscopix自由活动钙成像显微镜可以发现跨多个组织层次的5-羟色胺能系统的四个主要特性。

(1) DRN5-HT在长时间尺度上存在明显的高度相关活动群。这与系统中的异质性相对应。

(2) DRN5-HT系统在一系列感觉模式和效价中,对情绪显著刺激作出强烈反应。在所有行为测试中,DRN5-HT神经元对情绪显著性刺激的反应比对不太显著性或价中性刺激的反应要多得多。

(3) 单个神经元对不同的刺激组合作出反应,对效价和感觉模式有一定的偏好。

(4) 两个在解剖学上不同的投射包含功能性DRN5-HT亚型的完全多样性,但比例不同。


DRN5-HT神经元的单细胞成像发现其在蔗糖消耗过程中的群体活动

研究人员使用Inscopix自由活动钙成像显微镜观察DRN5-HT神经元在小鼠自由运动行为期间的活动。在5-羟色胺能神经元中表达Cre重组酶的小鼠中,以32°后角植入Inscopix GRIN Lens到表达Cre依赖性钙指示剂的DRN5-HT神经元(图1A、1B)。使用Inscopix细胞分割算法处理数据,即显微约束非负矩阵因式分解(图1C和1D)。使用这种方法,研究人员观察到活性显著相关的神经细胞(图1D),DRN5-HT神经元亚群之间的这种相关活动是该神经网络的一个基本特性。

研究人员在小鼠可以自由饮用蔗糖水(5%w/v)的任务中对参与奖赏环路的DRN5-HT神经元使用Inscopix自由活动钙成像显微镜进行成像(图1F)。发现,小鼠在第一次舔之前1-2秒,神经活动量大幅增加(图1G)。分析潜在的单细胞对蔗糖的反应,发现DRN5-HT反应混合在群体平均信号的基础上(图1H)。大多数DRN5-HT神经元在蔗糖消耗过程中兴奋(图1I)。在兴奋细胞中,研究人员进一步发现大多数(63%,线性回归,α=0.05,图1J)与累积舔相关的反应逐渐变小。

研究人员检测了在蔗糖消耗过程中DRN5-HT神经元之间的协调程度。观察到,DRN5-HT群体包含具有高度相关活动的离散群。这些群在一段较长的时间内是相关的,而不仅仅是当小鼠受到刺激或表现出一种可测量的行为时

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图1 DRN5-HT神经元在蔗糖消耗期间的活性变化


DRN5-HT神经元对不同效价味觉刺激的反应

研究人员使用味觉仪随机向小鼠提供五种溶液中的一种(图2A),观察对蔗糖有反应的DRN5-HT神经元是否对蔗糖的正价有特异性反应。小鼠摄入的奎宁显著少于水,蔗糖显著多于水(图2B)。与普通水相比,奎宁和蔗糖对DRN5-HT的反应更高(图2C和2D)。DRN5-HT反应之间的这种分离与这些DRN5-HT神经元对情绪显著性的反应是一致的

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图2 DRN5-HT神经元对不同效价味觉刺激的反应


DRN5-HT神经元群适应反复的足部电击

接下来,研究人员检测了一系列足部电击期间DRN5-HT神经元的钙活性(图3A),这是一种强烈负性的情绪显著刺激。随着这种厌恶性刺激的反复出现,DRN5-HT的整体反应下降。这与在反复呈现食欲刺激时发现的下降趋势相似。

在单细胞水平上,研究人员发现高比例(45%)的DRN5-HT神经元受到足部电击的显著刺激(图3C、D)。与蔗糖消耗量一样,研究人员发现在足部电击过程中,不同的群体具有高度相关的活动(图3F)。

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图3 DRN5-HT群体适应反复的足部电击


DRN5-HT神经元在高架十字迷宫探索行为中的活动变化

接下来,研究人员研究了高架十字迷宫(EPM)探索中DRN5-HT的活动,这是复杂的、情绪显著的行为。在EPM中,探索迷宫潜在威胁中心和开放臂的驱动力,间歇性地超过了留在有围墙的安全封闭臂中的自我保护本能(图4A)。开放臂探索的程度可以通过5-羟色胺能神经元的急性操作来调节。在探索开放臂和中心时,DRN5-HT群体活性显著高于封闭臂(图4C)。同样,在单细胞水平上,在开放臂探索期间招募的DRN5-HT神经元远远多于在封闭臂中招募的DRN5-HT神经元(图4D)。

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图4 DRN5-HT组合在潜在威胁下的探索过程中被激发


DRN5-HT神经元在新小鼠的社交初始研究中的活动变化

社会互动是另一种情感上显著的行为,其中DRN5-HT活动受到牵连。因此,研究人员确定了个体DRN5-HT神经元在社会互动过程中的反应。雄性小鼠被放置在一个开阔的场地上,并允许其独自探索几分钟,然后引入一只新的幼年雄性小鼠(图5A)。在行为上,发现小鼠在最初的互动期内与新小鼠互动的时间是在随后的互动期内的两倍,这表明这是情绪最显著的时期(图5B)。DRN5-HT系统是通过第一次社会互动专门招募的,从整个群体(图5C)和大量单个细胞(图5D、E)中引发了时间锁定的DRN5-HT反应。

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图5 DRN5-HT组合特别受到与新型小鼠的首次互动的刺激


DRN5-HT神经元在行为任务中的混合选择性

为了理解DRN5-HT网络的逻辑,有必要确定单个DRN5-HT神经元如何跨多种行为作出反应。研究人员长时间跟踪了单个细胞的行为,发现对于响应高度厌恶(足部电击)和高度奖赏性(蔗糖消耗)行为的DRN5-HT神经元群具有独立性,同时响应上述两种行为的比例较少。而在高架十字实验和足底电击或社会接触和足底电击等配对行为学中同时响应的神经元比例较多(图6)。

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图6 个体DRN5-HT神经元在行为任务中的混合选择性


VTA和BNST投射的DRN5-HT神经元是异质性的,但在功能上有偏差

DRN5-HT神经元通过其广泛的投射发挥其影响,主要编码负性情绪的终纹床核(BNST)和编码奖赏信息的腹侧被盖区(VTA)。DRN5-HT→BNST投射神经元和DRN5-HT→ VTA投射神经元在响应行为上并不是特异性的,可同时参与多个行为(图7)。VTA投射神经元对蔗糖消耗高度响应,而BNST投射神经元对足部电击高度响应,与这两个脑区调控的功能密切相关。

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图7 BNST和VTA投射的DRN5-HT神经元以互补的比例对不同的行为作出反应


总 结

本文通过使用Inscopix自由活动钙成像显微镜观察单细胞水平DRN5-HT神经元活动,揭示了与行为学高度相关的DRN5-HT神经元亚群,这些神经元群及其投射到其他脑区的神经元群异质性和同质性的介导5-HT神经元广泛调控多个行为,在广泛的情绪突出行为中发挥着重要作用

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参考文献

Grace E. Paquelet, Bradley R. Miller, et al. Single-cell activity and network properties of dorsal raphe nucleus serotonin neurons during emotionally salient behaviors. Neuron. June 13, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.05.015



本文来源于滔搏生物微信公众号

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