Nature：冷泉港李波课题组揭示中央杏仁核参与学习记忆功能的新机制
Nature：冷泉港李波课题组揭示中央杏仁核参与学习记忆功能的新机制
杏仁核是大脑中一个重要的情感调控中心，它在情绪反应、学习记忆以及应激反应中扮演着关键角色。近年来，科学家们对杏仁核的研究不断深入，特别是在其参与学习记忆功能的机制方面取得了重要进展。
在我们大脑颞叶深处，有两个杏仁状核团助我们维持生命。这个被称为杏仁核的小区域，参与多种脑功能调控。杏仁核帮助我们学习与记忆，引起战斗或逃跑反应，还可促进多巴胺的释放。科学家们通过数百年研究工作解析杏仁核参与的多种功能，尽管如此，我们仍未完全理解这些过程是如何运作的。
本篇文章聚焦于中央杏仁核（CeA）内生长抑素阳性神经元（Sst+），为我们带来了一些重要进展。对于Sst+，更多研究将生长抑素（Sst）作为一种标记手段，并非一定探究此类神经元内Sst的功能。大家了解最多的可能是皮层Sst+，这是一种著名的抑制性中间神经元，它们释放GABA作为其神经递质，参与多种功能；而在脊髓背角，Sst+是兴奋性中间神经元，主要以谷氨酸作为神经递质，参与机械痛等功能；在中脑PAG，Sst+又是兴奋性投射神经元，可与RVM神经元形成突触联系，参与化疗痛等功能；而CeA Sst+与以上三者均不同，它们是抑制性投射神经元，约占CeL神经元的50%，参与aversive和appetitive行为的学习过程。但是，截至目前为止，尚未有研究解析CeA Sst+在单细胞水平如何响应各类刺激，亦未有研究探索其环路机制。
2023年4月5日，《Nature》杂志刊登了冷泉港实验室李波研究组的最新重要工作（Yang et al., 2023），本篇文章阐释了CeA Sst+如何帮助我们学习奖赏刺激与各类威胁，并解析此类神经元与多巴胺功能的联系，极大提高了科研工作者在学习记忆领域的认知，为焦虑症与药物成瘾提供潜在的治疗靶点。
研究内容
01
CeA Sst+特异性编码各类刺激
首先，为探究CeA Sst+于单细胞水平如何响应各类刺激，作者在SST-Cre小鼠CeA注射AAV-FLEX-GCaMP6并植入GRIN lens。4-6周后，作者给予小鼠水、糖水、食物与尾部电击等刺激，行钙成像记录，通过响应不同刺激的神经活动将CeA Sst+分为多个clusters（图1a-c）。他们发现，对于不同刺激，CeA Sst+群体活动的trajectories明显分离，尽管有些刺激的特性相仿（图1d-g）；通过这些trajectories，作者可decode小鼠接受何种刺激（图1h）。以上结果提示，CeA Sst+包含足够信息以编码多种刺激。
接下来，作者聚焦于响应水与电击的CeA Sst+，这两种刺激常用于学习范式中的非条件性刺激（US）。他们发现，许多CeA Sst+被水或电击刺激特异性激活，其激活程度与水滴体积或电击强度呈正相关（图1i-m），表明CeA Sst+活动可表征salient刺激的种类与强度。
那么，CeA Sst+对各类刺激的编码是恒定的吗？抑或随学习过程改变呢？
图1 CeA Sst+特异性编码各类刺激
02
学习过程引起CeA Sst+对CS的反应
为探究上述问题，作者引入Pavlovian条件学习范式，水与电击刺激称为USWA和USSH，响应的条件性刺激称为CSWA与CSSH（图2a）。他们发现，训练后CSWA、CSSH、USWA激活的CeA Sst+数量显著增加，其中CSWA与CSSH激活的CeA Sst+鲜有共标，USWA与USSH激活的CeA Sst+亦鲜有共标，其trajectories可用于decode不同CS或US（图2b-l）,提示学习过程不仅会诱导响应CS的神经元，还会扩增响应US的神经元。
为进一步探索CeA Sst+对CSWA、CSSH反应的不同是否由US valence与感觉等性质的不同引起，作者采用2种相似性质的US——水与糖水，发现了上文相似的现象（图2m-z），表明学习过程可诱导并改变CeA Sst+对CS的反应，进而预测US反应，此过程与US的valence和感觉无关。
图2 学习过程引起CeA Sst+对CS的反应
03
CeA Sst+对的CS和US编码具有学习相关性及刺激特异性
然后，为进一步探究CeA Sst+如何参与instrumental learning过程，作者引入go/no-go范式：小鼠接受CSSU刺激后，可通过舔舐以得到糖水（USSU）；接受CSQU后，可通过停止舔舐以规避奎宁水（USQU；图3a）。学习过程可显著增加hit与correct rejection（CR），并明显减少miss与false alarm（FA）。
作者在小鼠学习过程的不同阶段成像CeA Sst+钙活动，发现学习过程显著增加响应CS或US CeA Sst+的数量（图3b-e）。为将CeA Sst+在不同trials中的钙活动可视化，作者将CeA Sst+的群体活动project到一个最优coding direction（cd）。他们发现，hit trials与CR、FA trials的cd projection明显不同，CeA Sst+群体活动trajectories的亦有不同（图3f-h）。此外，学习过程进一步增加各trials中CeA Sst+群体活动的差异性（图3i-j）。
以上结果进一步证实了CeA Sst+对US与相应CS的编码具有学习相关性及刺激特异性。于是作者推测，CeA Sst+可能在学习过程中实现对US的evaluating，进而强化学习过程。
图3 CeA Sst+对的CS和US编码具有学习相关性及刺激特异性
04
CeA Sst+对US的反应促进学习
为证实上述推测，作者采用基于ArchT的光遗传学手段，在条件性奖赏及go/no-go的学习过程中抑制CeA Sst+（图4a-b）。他们发现，在US窗口期抑制此类神经元后，小鼠在两种范式内的学习能力显著减弱（图4c-g）；而在CS窗口期抑制此类神经元，则不影响小鼠的学习过程（补充材料5h-o）。以上结果表明，在US窗口期，CeA Sst+活性对奖赏性学习和厌恶性学习至关重要。
那么，CeA Sst+如何促进学习呢？是否与多巴胺系统相关呢？
图4 CeA Sst+对奖赏性学习和厌恶性学习至关重要
05
CeA Sst+-DA环路参与奖赏性学习过程
近期研究显示，CeA可投射至中脑多巴胺（DA）系统，包括VTA与SNc，参与reward learning和fear conditioning。由此，作者最后探究CeA Sst+的功能是否依此通路介导。通过示踪实验，作者发现CeA Sst+主要投射到SNc，投射到VTA的神经元主要为CeM内Sst阴性神经元（补充材料6）。
为探究投射到SNc的CeA Sst+功能，作者在SST-Cre小鼠SNc内注射AAV8-retro-FLEX-Flp，在CeA内注射AAV-fDIO-GCaMP6，并植入GRIN lens（补充材料7a-d）。他们发现，与整体CeA Sst+相似，投射到SNc的CeA Sst+对不同刺激的反应具有差异性，提示此类神经元可能将US信息传递至SNc多巴胺系统。
为探究CeA Sst+-SNc DA+环路对学习过程的必要性，作者再次引入光遗传手段抑制此环路（图5a）。他们发现，抑制此环路影响奖赏性学学习过程，但不影响恐惧学习过程（图5b-c）。
为进一步探究CeA Sst+如何影响多巴胺系统，作者采用HSV示踪技术，发现此类神经元的下游神经元主要为DA阴性神经元，可能为GABA能神经元（补充材料6）。他们推测，CeA Sst+可能通过GABA能神经元去抑制DA能神经元。
为在激活CeA Sst+时记录中脑DA能神经元活动，作者引入SST-Flp/Slc6a3-Cre小鼠，在CeA Sst+表达ChR2，在SNC DA能神经元内表达GCaMP6（图5d）。他们发现，光激活CeA Sst+-DA环路可激活SNc和VTA DA能神经元，给予水亦可激活此DA能神经元（图5d-j）,提示CeA Sst+可充分激活中脑DA系统，其机制可能为去抑制效应。
最后，为探究CeA Sst+对DA能神经元活动是否具必要性，作者采用化学遗传学抑制CeA Sst+（图5k-u）。他们发现， 抑制CeA Sst+显著降低DA能神经元对水和糖水，而非电击和奎宁，的反应（图5l-o）；亦显著降低DA能神经元对CS和预期性奖赏的反应（图5p-u）。以上结果表明，DA能神经元对奖赏性刺激的反应依赖CeA Sst+活性。
图5 CeA Sst+-DA环路对奖赏性学习至关重要
总结
CeA参与多种学习记忆功能，但其单细胞水平神经机制未明。本篇文章采用转基因小鼠、钙成像、光遗传学、神经示踪、行为学等方法揭示CeA Sst+如何编码各类刺激，探究学习过程对此效应的影响，并阐释其对中脑多巴胺系统的调控过程。该文章首次全面详尽以单细胞水平阐释CeA Sst+参与学习记忆过程的神经机制，为焦虑症与药物成瘾等多种疾病提供治疗靶点，意义重大！
参考文献
Yang, T., Yu, K., Zhang, X. et al. Plastic and stimulus-specific coding of salient events in the central amygdala. Nature (2023)