當(dāng)面臨掠奪性威脅時(shí)，逃生前往庇護(hù)所是動(dòng)物的一種適應(yīng)性行動(dòng)，可對(duì)抗攻擊者并提供長(zhǎng)期保護(hù)。動(dòng)物依靠對(duì)環(huán)境中安全位置的了解，本能地執(zhí)行快速庇護(hù)所導(dǎo)向的逃生行動(dòng)。盡管先前的工作已經(jīng)確定了逃生啟動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制，但目前還不知道逃生回路是如何結(jié)合空間信息來(lái)沿著最有效的路徑執(zhí)行快速行為的。

近日，英國(guó)倫敦Sainsbury Wellcome神經(jīng)回路和行為中心（SWC）Tiago Branco教授研究團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表研究，發(fā)現(xiàn)小鼠壓后皮層（RSP）和上丘（SC）形成了一個(gè)環(huán)路，該環(huán)路編碼庇護(hù)所導(dǎo)向行為，并且在逃跑過(guò)程中準(zhǔn)確定向到庇護(hù)所是特別需要的。

庇護(hù)所方位的神經(jīng)編碼

為了研究小鼠逃往庇護(hù)所的導(dǎo)航，研究人員讓小鼠探索一個(gè)有庇護(hù)所的圓形競(jìng)技場(chǎng)，并播放天生的威脅性聲音刺激。這些威脅刺激可靠地引發(fā)了由頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引發(fā)的向庇護(hù)所方向的逃逸行為[Fig.1a]。當(dāng)動(dòng)物探索競(jìng)技場(chǎng)時(shí)，同時(shí)記錄RSP和SC腦區(qū)中的單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)RSP和SC中的部分神經(jīng)元的放電頻率受到庇護(hù)所方向的調(diào)節(jié)[Fig.1b,c]。

接下來(lái)，將競(jìng)技場(chǎng)中的庇護(hù)所位置旋轉(zhuǎn)了90°，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元放電場(chǎng)隨庇護(hù)所位置旋轉(zhuǎn)，因此保持了其相對(duì)于庇護(hù)所位置的角度調(diào)諧輪廓[Fig.1e]，表明RSP和SC中的神經(jīng)元特異性和動(dòng)態(tài)地編碼庇護(hù)所導(dǎo)向。

此外，研究人員在競(jìng)技場(chǎng)上增加了第二個(gè)相同的庇護(hù)所，但入口關(guān)閉并伴有一個(gè)明亮的LED。在這種情況下，調(diào)節(jié)到開(kāi)放和封閉庇護(hù)所的RSP神經(jīng)元比例相似，而SC神經(jīng)元優(yōu)先調(diào)節(jié)到開(kāi)放庇護(hù)所[Fig.1e]，說(shuō)明SC中的神經(jīng)元優(yōu)先編碼逃逸行為顯著位置最相關(guān)的方向。

Figure 1 RSP和SC神經(jīng)元編碼以自我中心的庇護(hù)所導(dǎo)向

依賴(lài)于RSP活性

由于RSP作為整合空間信息的樞紐，那么 SC中庇護(hù)所方向的表征可能取決于RSP的輸入。通過(guò)化學(xué)遺傳學(xué)選擇性失活投射到SC的RSP神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)RSP功能喪失導(dǎo)致SC向庇護(hù)所方向的神經(jīng)元比例下降33%[Fig.2d]。

SC中解碼庇護(hù)所方向的能力也受到了影響[Fig.2e]。此外，RSP神經(jīng)元的功能喪失導(dǎo)致小鼠在逃逸的定向階段出現(xiàn)更大的錯(cuò)誤[Fig.2f,g]。這表明，SC中以自我為中心的庇護(hù)所導(dǎo)向取決于RSP的輸入。

Figure 2 逃生過(guò)程中SC中的庇護(hù)所導(dǎo)向取決于RSP輸入

RSP–SC環(huán)路的逃跑特性

SC定向于感覺(jué)刺激，RSP包含空間表征。因此，RSP–SC通路失活后觀察到的行為表型原則上可能是這些已知功能受損的結(jié)果。首先，對(duì)投射到SC的RSP神經(jīng)元化學(xué)遺傳失活不會(huì)影響SC神經(jīng)元的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，并且線性判別分析解碼（LDA）預(yù)測(cè)精度也沒(méi)有差異[Fig.3a-c]。

這表明SC運(yùn)動(dòng)功能不受RSP–SC失活的影響，因此RSP功能喪失后，對(duì)急性感覺(jué)刺激的簡(jiǎn)單定向運(yùn)動(dòng)依然保持。相反，RSP–SC通路對(duì)于記憶驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)定向是特定的，表明SC可能用于處理直接感官定向和定向到基于記憶的高階目標(biāo)。

Figure 3 RSP–SC失活后的定向和導(dǎo)航錯(cuò)誤特定于逃逸行為

庇護(hù)所導(dǎo)向的機(jī)制

最后，研究人員通過(guò)光纖記錄SC上單個(gè)神經(jīng)元對(duì)RSP輸入的反應(yīng)。激活SC的RSP輸入并記錄興奮性和抑制性SC神經(jīng)元的放電頻率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)細(xì)胞群的放電曲線明顯不同：vGAT+神經(jīng)元的放電率逐漸增加，但vGluT2+神經(jīng)元的活性在約100?ms后下降并受到抑制，低于基線放電[Fig.4a-d]。說(shuō)明兩個(gè)SC神經(jīng)元群之間可能存在前饋橫向抑制性微環(huán)路。

通過(guò)示蹤發(fā)現(xiàn)興奮性和抑制性SC細(xì)胞確實(shí)接收RSP輸入[Fig.4e]，電生理進(jìn)一步表明RSP的活動(dòng)應(yīng)該在抑制性網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)?strong>vGAT+神經(jīng)元具有更高的解剖學(xué)收斂性和更有效的突觸整合。

Figure 4 RSP突觸輸入對(duì)SC vGAT+和vGluT2+神經(jīng)元具有發(fā)散效應(yīng)

結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，RSP和SC在以自我為中心的參考框架中持續(xù)編碼逃逸目標(biāo)導(dǎo)向的行為。RSP神經(jīng)元投射到興奮性和抑制性SC神經(jīng)元，但由于更高的收斂性和更有效的突觸整合，對(duì)抑制性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。該結(jié)果中得出的模型可能代表了一種通用的大腦策略，即使用皮層輸出來(lái)生成快速、準(zhǔn)確的目標(biāo)導(dǎo)向動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)：

Campagner, Dario et al. “A cortico-collicular circuit for orienting to shelter during escape.” Nature, 10.1038/s41586-022-05553-9. 21 Dec. 2022, doi:10.1038/s41586-022-05553-9

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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