下载客户端

罗敏敏团队综述：中缝背核多巴胺系统的作用机制

2021-04-01 15:02

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学Life science

近年来研究人员对中缝背核多巴胺神经元的神经编码和行为功能，特别是在显著性编码、调节记忆表达和觉醒中的作用，有了新的认识。近日，北京生命科学研究所资深研究员罗敏敏团队回顾了利用小鼠模型对中缝背核多巴胺神经元开展的生理和行为研究，阐述了阿片类药物成瘾中中缝背核多巴胺神经元及其上游神经环路的作用，并讨论中缝背核多巴胺神经元的未来研究方向。相关文章发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Neurosciences上。

本文要点

中缝背核（DRN）的多巴胺（DA）神经元通常被认为是由腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元向背侧延伸而来。然而最近的研究倾向于将中缝背核多巴胺神经元划分为一个独立的中脑多巴胺神经元亚群，与腹侧被盖区多巴胺神经元亚群平行。

近期小鼠模型研究显示中缝背核多巴胺神经元参与显着性编码，并在记忆表达和睡眠节律中起重要作用。中缝背核多巴胺神经元及其上游通路在阿片类药物成瘾中也着起重要作用。

最近的研究显示，中缝背核多巴胺神经元之间在形态和转录组水平存在较大异质性。

中缝背核多巴胺神经元为独立的中脑多巴胺子系统

中脑多巴胺神经元通过释放多巴胺参与调控奖励、运动学习和药物成瘾等行为。虽然均以多巴胺作为主要神经调质，近些年的研究表明中脑多巴胺神经元并非一个同质化的神经元群体，而是可细分为多个功能亚群。这些亚群在神经环路连接、转录组、电生理特征和行为功能等多个方面都有显著差异。因此，区分中脑多巴胺神经元的不同亚群，并对各个亚群进行精细研究是全面认识中枢多巴胺系统及其功能的关键。

中脑的腹侧被盖区和黑质致密部分布有大脑内最主要的两个多巴胺神经元群体，也是以往中脑多巴胺研究的主要对象。位于腹侧被盖区背侧的中缝背核中也包含了一群多巴胺神经元。由于多巴胺神经元在腹侧被盖区和中缝背核之间的过渡区域内也有连续分布，过往研究认为中缝背核多巴胺神经元和腹侧被盖区多巴胺神经元属于同一神经元类群，是腹侧被盖区多巴胺神经元向背侧延伸的一部分，因而未对其进行单独的细致研究。近期，多个研究利用转基因小鼠模型对中缝背核多巴胺神经元的投射特征、在体电生理活动和行为学功能进行了研究，结果表明中缝背核多巴胺神经元与腹侧被盖区多巴胺神经元截然不同，是一个独立的中脑多巴胺子系统。

中缝背核多巴胺神经元的生理特征

由于细胞体积小、数量少，中缝背核多巴胺神经元极难在自由活动的动物中使用传统方法进行在体记录。新技术的发展，特别是在体光学记录技术（如光纤记录和在体微型显微镜成像），使得研究人员能够第一次在不同的行为范式中实时监测中缝背核多巴胺神经元的活动情况（图1）。实验结果显示，奖赏和惩罚相关的刺激均能激活中缝背核多巴胺神经元（图1A），表明中缝背核多巴胺神经元与腹侧被盖区多巴胺神经元不同，并不编码小鼠所接收的刺激的好坏性质。

中缝背核多巴胺神经元的激活程度反映了奖赏相关刺激的显著性，并受到动物生理状态和奖赏大小的调节。例如，相比于进食后小鼠，饥饿小鼠中缝背核多巴胺神经元在食用高脂肪食物时表现出更强的激活（图1B）。当给予小鼠不同体积的蔗糖溶液时，中缝背核多巴胺神经元的激活程度与小鼠摄入糖水体积正相关。此外，社交隔离使小鼠中缝背核多巴胺神经元对社交的反应更敏感。在小鼠经历社交隔离后的首次社交中，中缝背核多巴胺神经元显著激活，然而在之后连续的社交中，激活程度迅速减弱。

学习可以改变中缝背核多巴胺神经元对不同刺激的反应。例如，一个中性的听觉刺激并不能激活中缝背核多巴胺神经元。但小鼠通过经典巴甫洛夫训练，将这个中性听觉刺激与奖赏或惩罚相关联，中缝背核多巴胺神经元对该刺激的激活逐渐增强（图1C）。而这一通过学习获得的激活反应在记忆消褪过程中迅速减弱。有趣的是，动物的生理稳态和情绪状态也影响中缝背核多巴胺神经元对不同刺激的反应。例如，相对于饮水后小鼠，口渴小鼠的中缝背核多巴胺神经元对与水相关联的声音刺激表现出更强的激活。此外，头部固定导致的应激压力很大程度上削弱了中缝背核多巴胺神经元对与足部电击相关联的声音刺激的反应。综上所述，这些研究表明，中缝背核多巴胺神经元编码小鼠所接收的不同刺激的显著性。

图1. 中缝背核多巴胺神经元编码刺激的显著性。（A）光纤记录显示，与腹侧被盖区多巴胺神经元不同，中缝背核多巴胺神经元对奖赏和惩罚[如进食蔗糖、高脂肪食物、足部电击、首次社会互动]均有反应。（B）中缝背核多巴胺神经元的兴奋性反应了刺激的显著性，并受动物稳态的调节。空腹小鼠进食高脂肪食物时，中缝背核多巴胺神经元的反应比在饱腹小鼠中强的多，也比嗅到高脂肪食物时的反应强。（C）在自由活动的小鼠中，通过经典巴甫洛夫训练，中缝背核多巴胺神经元逐渐获得对条件刺激的激活反应。

中缝背核多巴胺神经元的行为功能调控记忆表达

在上述在体记录研究的基础上，最近的研究利用药理学、光遗传学和化学遗传学技术系统地研究了中缝背核多巴胺神经元的行为功能（图2）。与腹侧被盖区多巴胺神经元不同，光遗传学激活或抑制中缝背核多巴胺神经元并不直接引起小鼠的正向或负向情绪。损毁或抑制中缝背核多巴胺神经元阻碍奖赏和惩罚相关记忆的表达。一项研究也提出中缝背核多巴胺神经元编码小鼠社交隔离后的“孤独”状态，暗示中缝背核多巴胺神经元可能也调控社交记忆的表达。

图2. 中缝背核多巴胺神经元的投射模式及其所收到的来自侧臂旁核（LPB）的上游调节。（A）中缝背核多巴胺神经元主要投射到杏仁核及其延伸核团，特别是中央杏仁核（CeA）和终纹床核（BNST）。离体脑片记录显示中缝背核多巴胺神经元可在其下游核团释放多巴胺和谷氨酸。在自由活动小鼠中利用光纤记录在体检测多巴胺，实验结果进一步揭示了奖赏和惩罚及其相关联的条件刺激都能引起中缝背核多巴胺神经元在下游核团释放多巴胺。（B）对中缝背核多巴胺神经元进行单细胞重构，发现三种不同的投射类型。（C）吗啡可以诱导投射到中缝背核的侧臂旁核神经元兴奋性增强，从而造成由侧臂旁核到中缝背核多巴胺神经元的谷氨酸能输入增强。来自侧臂旁核输入对于中缝背核多巴胺神经元处理奖赏信息至关重要。

阿片类药物成瘾

中脑多巴胺系统是阿片类药物产生成瘾副作用的主要靶点。通过去抑制机制，阿片类药物导致腹侧被盖区多巴胺神经元异常激活，驱动药物依赖的产生。应用Fos免疫染色和在体光纤记录，作者课题组研究了中缝背核多巴胺神经元在阿片类药物成瘾相关记忆形成和表达中的激活情况，发现中缝背核多巴胺神经元在吗啡相关奖赏记忆的表达过程中激活。相反的是，腹侧被盖区多巴胺神经元在吗啡相关奖赏记忆的形成过程中激活，表明这两个中脑多巴胺神经元亚群分别参与阿片类药物奖赏记忆的形成和表达。除此以外，中缝背核多巴胺神经元在吗啡戒断相关记忆的表达过程中同样被激活。行为学实验进一步支持了这一结论：光遗传学抑制中缝背核多巴胺神经元阻碍吗啡奖赏和戒断记忆的表达；抑制腹侧被盖区多巴胺神经元阻碍吗啡奖赏记忆的形成。

通过基于狂犬病毒的筛选，作者课题组发现吗啡可以增加外侧臂旁核（LPB）神经元的兴奋性，并增强外侧臂旁核到中缝背核多巴胺神经元的谷氨酸能突触连接。这条由外侧臂旁核到中缝背核多巴胺神经元的神经通路对非病理条件下的奖赏记忆调控也十分重要。未来对这条神经通路的进一步分子和生理机制研究将加深我们对其在奖赏和药物成瘾中的功能的理解。

疼痛和睡眠

中缝背核和相邻近的腹外侧导水管周围灰质（vlPAG）共同参与了疼痛调节。中缝背核多巴胺神经元通过在释放多巴胺作用于中缝背核和腹外侧导水管周围灰质内部以及下游神经回路，介导镇痛作用。尽管详细的回路还并不清楚，中缝背核多巴胺神经元的主要下游核团终纹床核被认为是处理与疼痛相关的负面情绪的关键脑区。特别是终纹床核中的促肾上腺皮质激素释放激素相关信号通路可显著调节疼痛相关情绪的表达。最近的研究也发现了中缝背核多巴胺神经元的另一个主要下游核团中央杏仁核的一些神经元亚群也可以特异性调节疼痛。

与大脑中其他参与编码显著性的神经元（如腹侧被盖区多巴胺神经元和室旁丘脑的谷氨酸能神经元）类似，中缝背核多巴胺神经元也参与睡眠/觉醒的调节。中缝背核多巴胺神经元的活动受睡眠/觉醒周期调节。激活或抑制中缝背核多巴胺神经元也影响小鼠睡眠/觉醒的状态。最近研究表明中缝背核多巴胺神经元为控制动物觉醒状态的神经环路的一部分。中缝背核多巴胺神经元与中央杏仁核和外侧下丘脑（LH），这两个已知参与睡眠调控的脑区相互连接。中缝背核多巴胺神经元调控睡眠/觉醒的详细机制还有待更深入的神经环路解析。

中缝背核多巴胺神经元的异质性

虽然在小鼠中缝背核中只有约1200个多巴胺神经元，但它们并不均一。最近对DRN DA神经元的单细胞测序和单细胞形态学重构已经开始对这些神经元之间的异质性进行研究。利用单细胞测序对中缝背核多巴胺神经元进行单细胞转录组分析，可将中缝背核多巴胺神经元分为三个亚群（DA-I、-II和-III）。与既往免疫组化研究报道一致，三个亚群神经肽VIP的表达差别较大，DA-I亚群低表达VIP，而DA-II和DA-III亚群高表达VIP。除此以外，DA-I亚群表达烟碱受体Chrna4和Chrnb3，但这些在DA-II或DA-III亚群中均不表达。而DA-II亚组和DA-III亚组之间参与神经传递的基因表达差异较为明显。

作者课题组新研发的技术可在全脑水平上重建单个神经元完整形态，并利用该技术研究了单个中缝背核多巴胺神经元的形态学异质性。这些单个中缝背核多巴胺神经元的重构展示了其投射模式，证实在单细胞水平中缝背核多巴胺神经元与腹侧被盖区多巴胺神经元的投射明显不同（图2B）。与腹侧被盖区多巴胺神经元相比，单个中缝背核多巴胺神经元的投射相对集中，并且缺少投射到纹状体的腹侧被盖区多巴胺神经元的特征性密集末端分枝。中缝背核多巴胺神经元还可根据其投射模式进一步分为三种亚型。总的来说，这些单细胞研究证明了中缝背核多巴胺神经元亚群的存在，这些亚群在转录、形态或许还有功能上是不同的。

中缝背核多巴胺神经元和其它类型中缝背核神经元的相互作用及其对下游脑区的调节

5-羟色胺神经元是中缝背核中主要的神经元类型，这些神经元是中枢神经系统中主要的5-羟色胺来源。此前的研究表明，中缝背核5-羟色胺神经元与其他类型的中缝背核神经元（包括中缝背核多巴胺神经元）存在复杂的局部神经环路。中缝背核5-羟色胺神经元之间存在较大的转录和形态方面的差异，可分为多个亚群。值得注意的是，其中一个亚群投射到中央杏仁核，其解剖和生理特点类似于中缝背核多巴胺神经元，并接受类似的上游输入。多巴胺和5-羟色胺两个神经调质系统可能在DRN中相互作用并整合，共同调节下游核团。

中缝背核多巴胺神经元对下游核团在具体行为下的神经环路调节机制仍然不清楚。在离体脑片记录实验中，光遗传学刺激中央杏仁核或终纹床核中的中缝背核多巴胺神经元末梢，均能检测到多巴胺的释放。在自由活动小鼠中，利用光线记录系统结合遗传编码的荧光探针对多巴胺释放进行检测，同样发现中央杏仁核的终纹床核中的中缝背核多巴胺神经元末端能够释放多巴胺。在条件反射训练后，这两个区域的多巴胺水平在小鼠接受条件刺激和非条件刺激时都短暂升高。

结束语和未来展望

综上所述，近年来研究发现中缝背核多巴胺神经元是一个编码刺激显著性并调控记忆表达的独立中脑多巴胺子系统。虽然这些研究极大地促进了我们对中缝背核多巴胺神经元的生理和行为功能的理解，但仍有许多问题有待回答。在单神经元水平上，尚不清楚单个中缝背核多巴胺神经元如何处理各种刺激。未来研究利用空间转录组学技术来整合分析单个神经元的转录组特征和投射模式，将有助于进一步阐明中缝背核多巴胺神经元之间的异质性。针对各个中缝背核多巴胺神经元亚群进行精细的投射分析和在体单细胞记录也可以提供新的研究思路。中缝背核多巴胺神经元参与调控记忆表达的分子和神经环路机制也尚不清楚，下一步研究应着重探究中缝背核多巴胺神经元与下游核团内的各种细胞类型之间的相互作用。另一个有趣研究的方向是探索中缝背核多巴胺神经元是否参与其他成瘾性药物的成瘾行为以及具体分子机制。最后，对中缝背核多巴胺神经元及其上下游神经环路开展分子机制研究将为干预成瘾的药物开发提供新思路。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请通讯作者之一罗敏敏研究员代表该论文作者团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：中缝背核（DRN）多巴胺（DA）神经元被经典地视为腹侧被盖区（VTA）DA群的尾侧背侧延伸。然而，DRN-DA群越来越多地被视为一个独特的中脑DA亚群，其功能与VTA-DA亚群平行。罗老师是否可以简要介绍一下DRN-DA群的作用？

罗敏敏研究员：通过神经元在体记录的研究，DRN DA细胞群被证实对社交活动，食物等奖赏性刺激以及如电击等惩罚性刺激都有明显的激活反应。我们实验室近期的研究结果进一步发现不仅刺激本身，与这两类激励性刺激关联的听觉信号也能逐步激活DRN DA神经元，反映出这类神经元广泛编码了外界激励刺激的显著性。借助光遗传学，化学遗传学等研究手段，DRN DA神经元被证实对记忆表达，阿片类药物成瘾，睡眠觉醒以及镇痛等方面都有一定的调节作用。

CellPress：DRN-DA神经元与其他类型DRN神经元的相互作用是什么？如何调控下游的脑区？

罗敏敏研究员：此前的研究表明在DRN可能存在复杂的局部神经回路。单细胞转录组学的研究发现部分DRN 5-羟色胺神经元表达多巴胺受体Drd1和Drd2。在外加DA的条件下，电生理体外记录的相关研究也在DRN 5-羟色胺神经元以及GABAergic神经元中观察到外向电流的产生。这些研究结果都为DRN-DA神经元参与调节5-羟色胺神经元以及GABA神经元活性提供了分子基础。另外，如果比较这三类神经元的上下游投射情况，我们会发现它们之间存在多处重叠。这就提示我们一个有趣的可能性：DRN不同神经元可能不仅在DRN原位有相互“对话”，而且在共同的下游脑区还存在信息的整合与调节。

根据电生理和光纤记录的结果，我们已知DRN DA神经元可以向下游释放两类神经递质：谷氨酸和多巴胺。这就暗示了其对下游的调控可以存在两个阶段：由谷氨酸介导的局部短时程调控和由多巴胺介导的广泛长时程调控。

CellPress：DRN DA神经元是一种特殊的中脑DA系统，它编码激励显著性并控制激励记忆的表达。是否可以请罗老师概括一下未来的研究方向和可能的临床意义？

罗敏敏研究员：近年来国内外对DRN DA神经元的研究确实极大地促进了我们对这类神经元生理和行为功能的理解，不过仍有许多围绕着DRN DA神经元的谜团值得去深入探索。首先是否存在特异活性和投射模式的DRN DA神经元亚群。根据群体水平的神经元活性记录，DRN DA神经元对奖赏性和惩罚性的刺激都有强烈的激活反应。那么单个DRN DA神经元是会同时对两类刺激有反应，还是存在两类，三类甚至四类，只对奖赏性刺激有反应，只对惩罚性刺激有反应，同时对两类刺激有反应和对两类刺激都无反应的亚群？如果有不同的亚群，那我们可不可以通过它们的转录组水平的差异进行区分？如果可以，我们是否能找到标记基因去特异性标记不同的亚群，从而探究不同亚群下游投射情况以及进一步细分DRN DA系统在调控激励记忆表达中的作用？这样进一步细化的研究无疑会丰富我们对这群神经元在编码激励显著性以及相应记忆调控的作用，为相关的疾病的治疗，像是创伤后压力症候群（负向记忆的过度表达）或是注意缺陷与多动障碍（激励刺激不显著）等提供新的理论基础与思路。另外，DRN DA神经元对阿片类药物以及以外的成瘾性药物的调控也是一个不错的研究方向。我们是否可以通过比较这些神经元成瘾前后转录组水平的变化来发现潜在的分子机制，从而为开发药物干预成瘾提供新方向。

CellPress：对于青年一代的研究群体来说，应如何确定自己的研究方向，需从哪几个方面考虑？

罗敏敏研究员：我认为可以从兴趣、融合和转化这三个方面考虑。研究方向除了遵从自身兴趣，也应该尽可能兼顾社会热点，从而创造出更多的对社会有用的，“及时雨”般的研究成果；积极尝试新技术和旧领域的融合，也许A领域的技术放到B领域就会有“柳暗花明又一村”的效果；最后，就是得重视转化的必要。现在每年在国际顶级期刊上都刊登有众多来自国内团队的研究成果，这足够说明国内的科研水平已经达到了“有技术，有理论”的程度。那么接下来就应该好好思考如何把手中的知识转化成实实在在的，对社会有贡献的产品或是技术。

CellPress：最后，非常欢迎您对我们的Trends综述期刊提出宝贵建议。

罗敏敏研究员：首先，我们非常感谢Trends综述期刊能提供这样的一个学术平台，供大家总结研究心得和获取最新的研究进展；同时，我们也十分珍视这么一个集思广益的机会，期待能从Trends收获对我们研究的宝贵建议和反馈。

作者简介

罗敏敏研究员

罗敏敏博士现任北京脑科学与类脑研究中心共同主任、北京生命科学研究所资深研究员、清华大学教授。

1995年于北京大学获得心理学学士学位，1997年和2000年于美国宾夕法尼亚大学先后计算机科学硕士学位和神经科学博士学位，2004年霍华德休斯医学研究所/杜克大学博士后出站。

罗敏敏博士长期专注于动物的奖赏惩罚的神经机制及其相关精神疾病的药物靶点研究，特别是在中缝背核五羟色胺神经系统和内侧缰核—脚间核胆碱能神经投射的电生理和行为机制的研究上取得了一系列国际同行公认的创新性成果。在包括Science、Cell、Neuron、Nature Methods等一流期刊发表论文60多篇，现任中国神经科学会常务理事，Neuron杂志编委会成员、Fronteriors in Neural Circuits编委成员、副主编等职务。荣获臻溪生命科学奖（2018）、谈家桢生命科学创新奖（2017）、吴阶平-保罗.杨森医学药学奖(2016)、中组部万人计划(2016)、北京学者（2015）、国家杰出青年科学基金（2006）等奖项，并作为第一位中国大陆出生受邀美国神经科学年会大会主旨报告的科学家。