Nature子刊：光遗传技术揭秘“逆境”中学习能力增强的神经环路机制

by 刘楠/陈善平 | 2016-07-18

图片来自《小老鼠与数字奶酪》

积极的心态和情绪能激发个体的创造力、适应能力和自信心等，从而使个体即使在逆境中也保持了前行的动力；相反，悲观心态和情绪使我们对未来目标产生负面预测，降低自我的行动力，容易沮丧甚至放弃，严重时还会出现“抑郁”样的情绪。我们早就知道这些现象，然而，人们对其相关的神经环路和作用机制却不清楚，尤其是针对精细到神经环路或细胞水平的证据更是“盲人摸象”。

为了细致地理解其中的内在机制，华中科技大学同济医学院王建枝课题组，中科院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王立平课题组和中科院武汉物理与数学研究所徐富强课题组等交叉合作，技术互补，经过几年的联合攻关，发现了一条情绪影响空间学习记忆的神经通路，凭借光遗传技术的优势，证实该通路可以由正性或负性情绪相应地双向调节动物空间学习能力。成果近期发表在国际学术期刊“Nature Communications”上（doi: 10.1038/ncomms11935）。

来自华中科技大学同济医学院的王建枝团队在这项研究中首先建立了压力状态下仍抱有希望情绪的动物模型（learned hopefulness，LHF）：研究人员采用足底电击的方式给予小鼠恶性刺激，同时把一个绝缘平台安置在电击场景内。通过反复引导和训练，小鼠能主动寻找并攀爬至平台之上，以成功躲避足底电击；相反地，如若移除平台，重复的不可逃避的足底电击会显著导致小鼠绝望的情绪反应，以此建立绝望情绪动物模型（learned helplessness，LHL）；而对照组动物放入同样场景，但不给任何电刺激。接下来，研究人员使用了两种行为学范式——莫里斯水迷宫和巴恩斯迷宫来检测以上三组动物在空间学习能力上的差异。该团队意外的发现：相较于对照组，“希望”小鼠能更快的找到逃生场所，完成这个过程的时间足足缩短了约三分之二，而“绝望”小鼠则相反，成功找到避难所的时间几乎加倍。这些数据显示：“希望”情绪可以有效促进，而“绝望”情绪明显损伤小鼠的空间学习及记忆能力。

针对上述现象，动物大脑内部的神经环路又是怎样工作的呢？该研究的合作者中科院武汉物理与数学研究所徐富强团队利用独特的嗜神经病毒环路示踪技术证实了结构上存在着从大脑中负责情绪的杏仁核亚核团到负责记忆的海马区亚核团的单突触联系。具体地，逆向示踪实验显示更多的纤维联系主要是从基底外侧杏仁核后部（BLP）的锥体神经元发出投射到腹侧海马CA1区（vCA1）。

然而，这一特异的神经环路是否参与处理上述这种行为呢？

该研究工作的合作者来自中科院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所的王立平团队和王建枝团队，充分利用深圳先进技术研究院开放的光遗传技术研发平台，结合光遗传技术同步光刺激与电生理记录技术，向BLP的兴奋性神经元注入一个光依赖的发动机——光敏感通道蛋白（Channelrhodopsin2, ChR2），当用蓝光照射这些细胞时，它们被兴奋，将神经电冲动向下传递并在突触连接处释放出兴奋性的神经递质——谷氨酸，后者与下游vCA1神经元上的相关受体结合而兴奋细胞，表现为电极记录到的神经元放电率上升。结合行为学分析，该研究团队进一步证实了BLP-vCA1谷氨酸能兴奋性神经环路的双向改变与“希望/绝望情绪”反向调控空间认知功能的因果关系：利用光遗传技术选择性抑制“希望”小鼠BLP-vCA1通路，“希望”情绪的正性促进作用被“掐灭”。而对应地，激活该通路让动物“重拾信心”，修复了“绝望”小鼠空间学习能力缺陷。即BLP-vCA1兴奋性神经环路介导了“希望”和“绝望”对空间认知功能的双向调控作用。有趣的是，不进行训练的正常组小鼠，仅仅是光遗传刺激反复激活这条通路就能提高其空间学习能力。似乎该通路的激活就为动物点燃了“希望”的火花，模拟出“希望”情绪对空间学习的正向促进作用。