内在状态驱动生存行为，但其背后的神经机制尚不清楚。近期，来自美国加州理工学院生物与生物工程部的David J Anderson团队在Cell杂志上发表题为“A line attractor encoding a persistent internal state requires neuropeptide signaling”的相关文章，作者在腹内侧下丘脑（VMH）中识别出一个编码攻击性状态的线性吸引子。作者运用了CRISPR-Cas9基因编辑技术结合单细胞钙成像等技术，揭示了催产素受体（Oxtr）和抗利尿激素受体（Avpr1α）在腹内侧下丘脑中是必需的，用于持久的神经活动和编码攻击性内部状态的线吸引子动态。
另外，近期David J Anderson团队还在Nature杂志发表论文Causal evidence of a line attractor encoding an affective state，提出了线吸引子编码情感状态的因果证据。（Nature . 2024 Aug 14. doi: 10.1038/s41586-024-07915-x. Online ahead of print.）
“线吸引子是一种新兴的种群动力学，被假设为编码连续变量，如头部方向和内部状态。在哺乳动物中，线吸引子的神经实现的直接证据受到了将扰动靶向贡献集合中特定神经元挑战的阻碍。” （小柯机器人）
1. 大多数Esr1+神经元共表达催产素和加压素受体，
并在体外对这些肽有反应
为了研究了Oxtr受体和Avpr1α受体在腹内侧下丘脑（VMHvl）神经元中的共表达情况，作者通过单细胞RNA测序和smFISH验证，发现Oxtr和Avpr1α mRNA在多个Esr1+转录组簇的神经元中共表达，且大部分Esr1+VMHvl簇的神经元表达Oxtr，约61%的这些细胞也表达Avpr1α。然而，这些簇的神经元不表达Oxt或Avp，表明这些肽的来源可能在核外。进一步通过双光子成像技术检测OXT和AVP对VMHvl神经元的进行钙成像记录 ，探究 OXT 和 AVP 对 VMHvl 神经元生理活性的影响，发现这些神经元对OXT和AVP的刺激有强烈的钙离子反应，表明这些神经元中存在功能性的AVP和OXT受体。
图12. 在VMH中由Oxtr/Avpr1a介导的神经肽信号
传导对于雄性领地攻击行为是必需的
通过在VMH中进行基因编辑，作者评估了这些受体在攻击性行为中的功能。实验结果表明，与对照组相比，Oxtr/Avpr1a共编辑显著减少了实验组小鼠对雄性入侵者的攻击行为，并延长了首次攻击的潜伏期。这些结果表明，Oxtr和/或Avpr1a在VMHvl神经元中的表达对于攻击性行为具有必要且选择性的作用。接下来，作者计划研究在Esr1神经元中特异性破坏这些受体对行为和神经活动的影响。
图23.OXT 和 AVP 受体的共编辑改变了小鼠
在社交互动中的 VMHvl Esr1 神经活动
实验结果显示，在Oxtr和Avpr1α被共同破坏后，小鼠VMH中的GCaMP8s阳性细胞比例和响应AVP及OXT的强度均显著下降。同时，这些小鼠在面对雄性入侵者时的攻击行为和神经元活动显著减少。尽管嗅闻行为的持续时间未显著变化，但相应的神经元活动有所减少。然而，在雄性与雌性互动期间，实验组和对照组小鼠的钙信号未显示显著差异。这些结果表明，Oxtr/Avpr1α介导的信号通路在VMHvlEsr1神经元中的破坏减弱了小鼠的攻击行为和神经元活动，但无法确定神经元活动减少是攻击行为减少的原因还是结果。
图3为了研究同时编辑Oxtr/Avpr1α对单个VMHvlEsr1神经元活动的影响，作者使用微型头戴显微镜对Esr1-2A-CRE雄性小鼠进行Ca2+活动成像，这些小鼠被注射了实验病毒或对照病毒。这种方法称为CRISP Roscopy。为了避免减少攻击行为，作者在单侧进行钙成像和Oxtr/Avpr1α 共同敲除。由于VMHvl几乎没有对侧连接，单侧功能丧失的操作通常会被未操作的侧弥补。确实，单侧注射的实验动物在嗅探或攻击行为方面与对照组没有显著差异。这一设计使作者能够在行为正常的动物中确定Oxtr/Avpr1α共同破坏对神经活动和动态的影响。
图44. VMHvlEsr1线吸引子动力学需要
Oxtr/Avpr1a介导的信号传导
通过使用rSLDS模型，研究发现，正常情况下，VMHvl区域的神经元活动会形成一个“线吸引子”模式，该模式在雄性攻击行为中显现为一个稳定的动态轨迹。然而，在Oxtr/Avpr1a信号干扰的情况下，这种线吸引子动态模式消失，被一个“点吸引子”模式取代，表现为神经活动在攻击或嗅探期间的短暂波动，而不是持续稳定的活动。这表明，Oxtr/Avpr1a信号传导对VMHvl区域雄性定向攻击行为中的线吸引子动态至关重要，但对雌性定向行为的影响不显著。在攻击行为过程中，控制组小鼠的神经活动会在攻击后缓慢衰退并保持高水平，而实验组小鼠的活动则快速衰减并呈现锯齿状波动，说明这些神经元在攻击行为中依然被激活，但无法像正常小鼠一样整合近期活动。
图5 5. Oxtr/Avpr1α介导的信号传导控制
VMHvlEsr1神经元的持续活动
作者使用离体的VMH脑片，通过钙成像分析和rSLDS模型拟合，发现OXT和AVP混合物引起的x1维度神经元的衰减时间约为90秒，比x2维度（约15秒）长8-9倍，这与体内观察到的结果类似。进一步分析显示x1维度神经元的响应是缓慢衰减的，而x2维度的响应则较为短暂。即使加入突触传递阻断剂，肽反应的衰减速率仅略有增加。结果表明，OXT和AVP可以在离体的VMHvl脑片中诱导Esr1+神经元的持续活动，这种持续活动可能不依赖于与远处结构的长程连接。
图6 讨论
这项研究的技术限制有以下几点，包括使用了两种不同的病毒来传递gRNAs-GCaMP和Cas9，导致并非所有在成像分析中捕捉到的GCaMP+细胞都是Cas9+（即含有Oxtr/Avpr1突变）。数据显示，在注射部位的共同感染率约为65%-80%，但未能准确估计体内展示同源INDELs的细胞比例。另一个限制是依赖于实验组与对照组之间的比较，而未能排除Oxtr/Avpr1a共同编辑对雄性小鼠对雌性小鼠的交配行为可能的影响。此外，研究结果未能区分OXTR和AVPR1a的各自作用，也未确定体内在攻击行为期间激活这些受体的内源性肽的细胞来源和释放动态。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.015
参考文献
Mountoufaris G, Nair A, Yang B, Kim DW, Vinograd A, Kim S, Linderman SW, Anderson DJ. A line attractor encoding a persistent internal state requires neuropeptide signaling. Cell. 2024 Aug 22:S0092-8674(24)00906-1. doi: 10.1016/j.cell.2024.08.015. Epub ahead of print. PMID: 39191257.
编译作者：欢欢熊（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
