Neuron：信息爆炸？大腦特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精細(xì)調(diào)控過濾“無價值”信息
在自然環(huán)境中，動物受到大量感官信息的轟炸。然而，它們能夠過濾掉不重要的信息，并以自適應(yīng)的方式快速響應(yīng)動態(tài)環(huán)境。環(huán)境線索的價值由其相關(guān)的積極或消極結(jié)果決定。因此，檢測和辨別外部信號的價值對動物的生存和生活至關(guān)重要。
之前大量關(guān)于價值信息的研究集中于不同的大腦結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型如何參與厭惡或獎勵相關(guān)的情緒處理，但如何從傳入的感覺信號中提取出價值，以及價值信息沿著感覺處理路徑的神經(jīng)元表征，這在很大程度上仍不清楚。
近日，美國洛杉磯南加州大學(xué)凱克醫(yī)學(xué)院生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)系陶慧中教授團(tuán)隊(duì)和張礪教授團(tuán)隊(duì)合作在Neuron發(fā)表研究，研究人員直接錨定位于腦橋背側(cè)的一個突出結(jié)構(gòu)，即腦橋中央灰質(zhì)（PCG），他們發(fā)現(xiàn)盡管PCG位于感覺處理的相對早期階段，但它已經(jīng)可以通過兩個功能相對的神經(jīng)元群體的活動來區(qū)分感覺價值。
1.PCG谷氨酸和GABA神經(jīng)元分別編碼負(fù)價和正價
首先，研究人員利用了雙室位置偏好測試，發(fā)現(xiàn)厭惡感覺刺激會使小鼠從刺激室很快逃到非刺激室。但是沉默PCG活性顯著減少了這種回避行為和由厭惡性感覺刺激引起的運(yùn)動增加[Fig.1A-D]。這表明，PCG在調(diào)節(jié)感覺誘發(fā)的厭惡中起作用。
此外，對PCG活性的抑制也會導(dǎo)致蔗糖的相對攝入量顯著減少[Fig.1J,K]。這表明PCG的活性也在調(diào)節(jié)欲望行為（appetitive behavior）中也起作用。
Figure 1 PCG介導(dǎo)感覺誘發(fā)的厭惡和獎賞相關(guān)行為
通過進(jìn)一步神經(jīng)元類型分析，對PCG谷氨酸能神經(jīng)元光遺傳學(xué)激活發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動負(fù)價特異性行為（激活后產(chǎn)生厭惡行為），而GABA能神經(jīng)元的激活導(dǎo)致強(qiáng)烈偏好，驅(qū)動正價特異性行為[Fig.2]。因此，進(jìn)一步表明PCG谷氨酸能和GABA能種群的活性分別與負(fù)價和正價相關(guān)。
Figure 2 PCG谷氨酸和GABA神經(jīng)元分別驅(qū)動回避和偏好行為
2.PCG谷氨酸和GABA神經(jīng)元共享相似的投射模式
由于PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元的激活產(chǎn)生了非常不同的行為結(jié)果，研究人員猜測它們是否投射到不同的下游靶點(diǎn)。通過順行示蹤，意外發(fā)現(xiàn)GFP標(biāo)記的谷氨酸能和GABA能PCG軸突表現(xiàn)出相似的投射模式，主要在同側(cè)[Fig.3]。
在PCG靶向的不同腦區(qū)中，結(jié)構(gòu)如丘腦背內(nèi)側(cè)核（MD）、腦室旁丘腦（PVT）、下丘腦外側(cè)區(qū)（LHA）、腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）、外側(cè)視前區(qū)（LPO）和內(nèi)側(cè)隔-斜角帶核（MS/DB）受到谷氨酸能和GABA能軸突的強(qiáng)烈神經(jīng)支配。這些結(jié)構(gòu)中的大多數(shù)都與動機(jī)行為有關(guān)。
Figure 3 PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元的投射靶點(diǎn)
3.PCG通過不同的下游靶點(diǎn)調(diào)節(jié)厭惡和獎勵行為
哪個下游投射介導(dǎo)PCG依賴性行為效應(yīng)？研究人員通過光遺傳發(fā)現(xiàn)雙側(cè)刺激MD、VTA、LHA和MS/DB中的PCG谷氨酸能投射導(dǎo)致回避行為和增強(qiáng)覺醒。與谷氨酸能投射不同，PCG GABA能投射VTA、LHA和MS/DB（但不是MD）的刺激導(dǎo)致位置偏好和增強(qiáng)覺醒[Fig.4]。總之，這些數(shù)據(jù)表明PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元可能通過重疊但可區(qū)分的下游靶點(diǎn)介導(dǎo)厭惡和獎賞相關(guān)行為。
最后，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管PCG腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元共享一些共同的輸入源，但這兩個神經(jīng)元群體之間最強(qiáng)的輸入源明顯不同。興奮性神經(jīng)元收到來自PRN的最強(qiáng)輸入，而抑制性神經(jīng)元則收到來自O(shè)FC的最強(qiáng)輸入。因此，PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元接受不同的輸入，這可能是由于它們在價值信息處理中的不同作用。
Figure 4 PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元通過可區(qū)分的下游投射介導(dǎo)行為效應(yīng)
總結(jié)與展望
在這項(xiàng)研究中，通過細(xì)胞類型特異性方法，闡明了PCG介導(dǎo)的環(huán)路，將價值特異性感官信息傳遞到延伸的效價處理網(wǎng)絡(luò)中。谷氨酸能神經(jīng)元被厭惡性感覺刺激所激活并驅(qū)動回避行為，而GABA能神經(jīng)元被獎勵性刺激所激活并驅(qū)動欲望行為。充分說明，PCG可能是自下而上的感覺通路中的一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以處理傳入感覺信號的價值特異性信息，并介導(dǎo)適當(dāng)?shù)男袨榉磻?yīng)。值得注意的是，PCG還接收來自神經(jīng)間核（IPN）的輸入，IPN參與成癮、焦慮和情緒調(diào)節(jié)。
綜上所述，PCG谷氨酸能神經(jīng)元和GABA能神經(jīng)元的廣泛輸入（包括自下而上和自上而下）表明，它們的價值信息編碼可能會受到多種因素的調(diào)制，其活動可能會根據(jù)輸入源在不同的時間尺度上進(jìn)行調(diào)節(jié)。
參考文獻(xiàn)：
Xiao, Cuiyu et al. “Glutamatergic and GABAergic neurons in pontine central gray mediate opposing valence-specific behaviors through a global network.” Neuron, S0896-6273(23)00116-2. 28 Feb. 2023, doi:10.1016/j.neuron.2023.02.012
編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
