Neuron：清華大學(xué)苑克鑫/洪波團(tuán)隊(duì)合作揭示覺醒控制的重要丘腦節(jié)點(diǎn)
與環(huán)境之間的互動是動物生命活動的重要內(nèi)容，其成功實(shí)現(xiàn)依賴于動物對自身需求和外部環(huán)境的恰當(dāng)響應(yīng)。在這一過程中，一般性的大腦覺醒狀態(tài)，即清醒，被認(rèn)為是所有動機(jī)性行為表達(dá)的基礎(chǔ)；而與特定動機(jī)相關(guān)的特異性覺醒狀態(tài)的出現(xiàn)，則決定了將會被表達(dá)的行為的具體類型。如果大腦覺醒狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制發(fā)生了長期性的失調(diào)，動物的身體機(jī)能乃至生命安全都將會受到嚴(yán)重威脅。
2023年8月8日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華大學(xué)腦與智能實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心苑克鑫課題組與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系、清華大學(xué)腦與智能實(shí)驗(yàn)室洪波課題組合作在Neuron發(fā)表了題為“負(fù)責(zé)一般性和防御性覺醒控制的通用丘腦樞紐”（A common thalamic hub for general and defensive arousal control）的研究論文，發(fā)現(xiàn)聽覺丘腦的內(nèi)側(cè)部是一般性覺醒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和防御性覺醒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共享的重要丘腦節(jié)點(diǎn)。
丘腦坐落于幾乎所有哺乳動物大腦的中央，與廣泛的大腦皮層和皮層下腦區(qū)相互投射，因此被認(rèn)為是大腦中負(fù)責(zé)信息上傳、下達(dá)的中樞腦區(qū)，在很多大腦功能中都扮演著重要角色。在包括聽、視、體感在內(nèi)的感覺系統(tǒng)中，來自外周的感覺信息必須經(jīng)過特定的丘腦亞區(qū)才能進(jìn)入皮層被進(jìn)一步處理。在中樞聽覺系統(tǒng)中，聽覺丘腦的內(nèi)側(cè)部（the medial sector of the auditory thalamus, ATm）是聽覺丘腦中的多模態(tài)聯(lián)合（polymodal association）區(qū)，與初級聽覺丘腦區(qū)-內(nèi)側(cè)膝狀體腹側(cè)部（the ventral division of the medial geniculate body, MGBv）和非初級聽覺丘腦區(qū)-內(nèi)側(cè)膝狀體背側(cè)部（the dorsal division of the medial geniculate body, MGBd）一起構(gòu)成了完整的聽覺丘腦（圖1）。
圖1.聽覺丘腦冠切示意圖
苑克鑫課題組于2019年發(fā)表的、已被Science、Nature Neuroscience等權(quán)威、專業(yè)期刊所發(fā)表的文章多次引用的連接組學(xué)工作（Cai D. et al., Cerebral Cortex 2019）中顯示，與MGBd相比，ATm除了同樣具有接收多模態(tài)感覺輸入的潛力外，還與多個(gè)已知在內(nèi)在狀態(tài)（如覺醒、情緒、決策）調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用的腦區(qū)（如下丘腦、杏仁核、未定帶和基底節(jié)等）以及被認(rèn)為是皮層樞紐之一的顳葉聯(lián)合皮層區(qū)（temporal association cortex, TeA）有很強(qiáng)的相互投射。ATm的這種全腦聯(lián)結(jié)模式提示其很可能是一個(gè)重要的丘腦節(jié)點(diǎn)，在內(nèi)在狀態(tài)的維持以及多模態(tài)感覺刺激誘發(fā)的內(nèi)在狀態(tài)切換中扮演重要角色。基于這一推測，苑克鑫課題組研究人員針對ATm的生理學(xué)特性和功能展開了研究，并與MGB，尤其是MGBv，進(jìn)行了系統(tǒng)性比較。
課題組研究人員首先結(jié)合轉(zhuǎn)基因小鼠、病毒工具、腦電/肌電記錄、以及光纖記錄等手段，對ATm和MGBv中的神經(jīng)元群體在小鼠分別處于清醒、慢波睡眠和快速眼動睡眠期時(shí)的活動進(jìn)行了刻畫，發(fā)現(xiàn)只有ATm中的神經(jīng)元活動與皮層激活是顯著相關(guān)的，并且其活動水平的升高總是提前于睡眠-清醒轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)。這些現(xiàn)象提示ATm神經(jīng)元的活動可能對于睡眠-清醒轉(zhuǎn)換的發(fā)生以及清醒（wakefulness or general arousal）狀態(tài)的維持是重要的。
當(dāng)研究人員使用化學(xué)遺傳學(xué)的方法降低了ATm神經(jīng)元的活動水平后，小鼠果然表現(xiàn)出了在本應(yīng)活躍的dark cycle中的慢波睡眠顯著增加，清醒顯著減少（圖2），證實(shí)了研究人員的推測。當(dāng)使用光遺傳學(xué)方法激活A(yù)Tm神經(jīng)元時(shí)，即使激光強(qiáng)度非常低，睡眠中的小鼠也會被立刻喚醒。與之形成鮮明對比的是，即使用高強(qiáng)度激光照射MGBv神經(jīng)元，也觀察不到喚醒效應(yīng)。研究人員進(jìn)而發(fā)現(xiàn)從ATm到TeA的投射通路對于清醒狀態(tài)的維持是有顯著貢獻(xiàn)的。
圖2. ATm神經(jīng)元活動對清醒狀態(tài)的維持有顯著貢獻(xiàn)
在證實(shí)了ATm在清醒狀態(tài)維持中扮演重要角色后，課題組研究人員結(jié)合以上提及的技術(shù)手段、腦深部雙光子記錄以及聲音、藍(lán)光刺激，發(fā)現(xiàn)只有ATm神經(jīng)元群體對感覺刺激的響應(yīng)狀態(tài)是與感覺刺激誘發(fā)的睡眠-清醒轉(zhuǎn)換顯著相關(guān)的。相反的，感覺刺激誘發(fā)的MGBv神經(jīng)元群體的活動狀態(tài)則與小鼠的覺醒狀態(tài)沒有顯著相關(guān)性。當(dāng)研究人員對ATm神經(jīng)元進(jìn)行光遺傳學(xué)抑制時(shí)，聲音和藍(lán)光刺激誘發(fā)的大腦覺醒概率都被顯著降低了（圖3），并且分別從ATm到TeA，下丘腦和尾部紋狀體的投射通路都做出了貢獻(xiàn)。
圖3. ATm神經(jīng)元活動對感覺刺激誘發(fā)的大腦覺醒有顯著貢獻(xiàn)
由于與ATm之間存在雙向聯(lián)結(jié)的多個(gè)皮層下腦區(qū)都與情緒及相關(guān)動機(jī)行為的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，那么ATm所介導(dǎo)的劇烈覺醒水平升高是否與某種特定情緒狀態(tài)的出現(xiàn)是偶聯(lián)在一起的呢？為解決這一疑問，課題組研究人員在多種經(jīng)典行為范式下對ATm神經(jīng)元進(jìn)行了光遺傳學(xué)激活，發(fā)現(xiàn)光激活導(dǎo)致了顯著的瞳孔放大，焦慮水平提高以及躲避行為的出現(xiàn)（圖4）。這提示高水平ATm神經(jīng)元群體活動會誘發(fā)與防御性情緒狀態(tài)偶聯(lián)的覺醒，即防御性覺醒（defensive arousal），水平的升高。
圖4. 高水平ATm神經(jīng)元活動同時(shí)提升覺醒水平和防御性情緒水平
特定動物行為的表達(dá)是建立在一般性覺醒和特異性覺醒狀態(tài)基礎(chǔ)之上的。那么由ATm神經(jīng)元所介導(dǎo)的一般性和防御性覺醒對于小鼠本能防御性行為的表達(dá)是否具有重要意義呢？課題組研究人員使用破傷風(fēng)毒素選擇性地阻斷了接收聽覺中腦輸入的ATm神經(jīng)元的神經(jīng)遞質(zhì)釋放，發(fā)現(xiàn)不但使由聲音刺激誘發(fā)的回窩行為完全消失了，也使由模擬空中猛禽的黑斑刺激誘發(fā)的逃跑-冰凍行為完全消失了（圖5）。
有趣的是，直接光激活A(yù)Tm神經(jīng)元本身并不會使小鼠表達(dá)回窩和逃跑-冰凍行為，并且光激活A(yù)Tm神經(jīng)元所產(chǎn)生的持續(xù)性效應(yīng)足以使小鼠重新對其已經(jīng)適應(yīng)了的感覺刺激表達(dá)防御性行為。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面展示了由ATm神經(jīng)元活動介導(dǎo)的防御性覺醒對于感覺刺激誘發(fā)的本能防御性行為的表達(dá)是必不可少的，另一方面確認(rèn)了ATm神經(jīng)元的多模態(tài)特性。
圖5. 感覺刺激誘發(fā)的ATm神經(jīng)元活動對于防御性行為的成功表達(dá)必不可少
綜上，該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)聽覺丘腦的聯(lián)合區(qū)ATm在不同的活動水平下貢獻(xiàn)于對不同類型的覺醒的調(diào)節(jié)，進(jìn)而貢獻(xiàn)于對動物來說至關(guān)重要的睡眠-覺醒調(diào)控和本能防御性行為的表達(dá)。理論上，ATm能夠與在一般性覺醒的維持中同樣扮演重要角色的、且促進(jìn)覓食或獎賞相關(guān)覺醒的腦區(qū)一起協(xié)調(diào)工作，一方面為所有動機(jī)性行為的表達(dá)奠定基礎(chǔ)，另一方面，當(dāng)蘊(yùn)含不同生物學(xué)意義的環(huán)境線索出現(xiàn)時(shí)，促使動物做出恰當(dāng)?shù)男袨闆Q策。另外，該項(xiàng)研究中的發(fā)現(xiàn)有潛力揭示在特定神經(jīng)精神性疾病中睡眠障礙經(jīng)常與感覺敏感性異常并發(fā)這一現(xiàn)象背后的神經(jīng)機(jī)制。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系苑克鑫課題組博士研究生王易慰為第一作者，博士研究生游玲、陳柔妤和李玫潔為本文共同第一作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系苑克鑫與洪波研究員為共同通訊作者。本研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金、北京市科學(xué)技術(shù)委員會以及清華大學(xué)國強(qiáng)研究院的大力支持。
個(gè)人簡介
苑克鑫;長聘副教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系；研究員，清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華大學(xué)腦與智能實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心。研究領(lǐng)域：感覺中樞神經(jīng)環(huán)路及其解析技術(shù)；研究概況：他的研究主要集中于中樞聽覺和聯(lián)合感覺系統(tǒng)，尤其關(guān)注丘腦和皮層，研究目標(biāo)是揭示這些系統(tǒng)的連接、功能和工作原理，加深對被認(rèn)為是生物智能特征的行為靈活性、適應(yīng)性表達(dá)的神經(jīng)基礎(chǔ)的理解，并將研究成果轉(zhuǎn)化至人工、類腦智能領(lǐng)域。同時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)正在為跨尺度連接組學(xué)研究開發(fā)新的試劑、技術(shù)與方法。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.07.007
作者授權(quán)發(fā)布
