Neuron：罗敏敏团队首次发现大脑中放大厌恶反应的神经环路和调控机制【Nature“研究亮点”】_

RESEARCH PROGRESS

大脑如何通过整合外部的威胁性刺激与内部状态以协调适当的情绪和行为反应，一直是神经科学的核心问题之一。对外部负面刺激产生恰当的厌恶反应对于学习和生存至关重要，而过度厌恶则与一系列精神疾病如抑郁症、焦虑症甚至是毒品成瘾戒断有关。尽管杏仁核在厌恶处理中的作用已经广为人知，但放大厌恶感觉的具体神经通路一直未被阐明。

2024年9月12日，北京脑科学与类脑研究所罗敏敏团队在Neuron上发表题为A brainstem circuit amplifies aversion的研究论文。该研究被Nature杂志遴选为“研究亮点”（Research Highlights）。该研究表明，位于脑干的脚间核（Interpeduncular nucleus，IPN）-未定核（Nucleus incertus, NI）环路是大脑中对厌恶反应的放大器（Amplifier），这一发现为情感障碍治疗及阿片类药物复吸预防提供了新的理论基础和潜在的治疗靶点。

IPN是位于中脑腹侧的一个卵圆形核团，被认为是将前脑和中脑信息传递到后脑的一个重要中继站，其主要神经元类型为抑制性GABA能神经元。研究人员以Pax7-CreER转基因小鼠作为主要的研究对象，利用Cre-Loxp系统和腺相关病毒载体（AAV），特异而充分地标记了IPN的GABA能神经元（图1）。

图1. 利用Pax7-CreER转基因小鼠特异性标记IPN GABA能神经元

为了探究IPN神经元对于各种刺激的反应情况，研究人员采用巴普洛夫式的行为训练模式，将不同的声音信号与足部电击、奎宁溶液以及糖水这三类外界刺激相关联，并通过钙离子指示剂（GCaMP8s）结合光纤记录系统监测小鼠IPN的神经元活动情况。研究发现，IPN神经元能被足部电击和奎宁溶液这些厌恶刺激所激活，并且刺激强度越大，IPN的反应强度越高。另外，IPN神经元能迅速习得厌恶刺激与声音信号之间的关联，并被声音信号激活，激活强度同样与刺激强度正相关（图2）。然而，不论是糖水这一奖赏刺激本身还是其关联的声音信号均不能激活IPN神经元。这说明，IPN能够特异性地编码厌恶刺激及相关的声音信号，其神经元活性能准确反映外界刺激的强弱。

图2. IPN神经元反应与厌恶刺激强度正相关

为了探究IPN对厌恶刺激反应的调控作用，研究人员使用基于鼻触的操作条件反射行为模式来评估神经元激活后对厌恶反应的影响。经过为期三天的训练阶段，小鼠学会通过将鼻子伸进指定小孔的方式获得糖水奖励。第四天，在每两次鼻触行为后，小鼠除了会获得同等的糖水奖励外，还会受到一次足底电击（0.3mA）。结果显示，这种轻微的电击不足以使对照组小鼠因对电击的厌恶而回避鼻触。然而，化学遗传学（hM3Dq+CNO）激活IPN神经元却可显著降低实验组小鼠的鼻触次数。这表明提高这些神经元的活性加剧了机体对外界刺激的厌恶感（图3）。需要指出的是，消除IPN神经元并没有改变小鼠的痛阈，直接激活IPN神经元也并未引起条件性位置厌恶。因此，IPN Pax7神经元对厌恶反应的作用并不是直接“有无”的调节，而是起到一个“放大器”的效果。

图3. IPN神经元放大外界刺激的厌恶感

考虑到IPN Pax7神经元对厌恶刺激关联的声音信号的学习反应，研究人员采用经典的恐惧条件反射实验评估了这些神经元对厌恶学习和记忆行为的影响。在训练（conditioning）阶段，小鼠首先会听到20秒的声音信号，在声音结束前会有持续1秒的足底电击。如此反复关联5次，小鼠逐渐学会声音和电击之间的联系，从而对声音产生恐惧记忆。随后，小鼠在一个新的环境中连续三天接受无足底电击的声音刺激测试（test）。通过计算小鼠凝滞不动（freezing）的时间来评估恐惧记忆学习的效果。结果显示，IPN Pax7神经元的消除导致freezing时间显著减少；相反，如果用化学遗传学激活IPN Pax7神经元，则显著增加了test阶段freezing的时长（图4）。这些发现阐明了IPN神经元对维持正常厌恶学习记忆的必要性以及对调节其强度的充分性。

图4. IPN神经元影响厌恶学习记忆水平

接着，研究人员利用稀疏标记和断层成像技术发现IPN Pax7神经元主要分为两个亚群，分别是在IPN内部投射的中间神经元（interneuron）和投射到脑干核团未定核（Nucleus incertus, NI）的亚群（NI-projecting）。进一步的研究发现，这个亚群在处理厌恶信号中发挥的作用与IPN整体的效果基本一致，也就是说，NI是IPN放大厌恶反应的主要效应器。

另外，研究人员发现，NI-projecting神经元大量接收μ阿片受体（μ-opioid receptor，MOR）阳性的内侧缰核（medial habenula，MHb）神经元的输入。MORs是内源性阿片类药物的主要靶点，并介导阿片类药物的成瘾特性。长期使用吗啡等阿片类药物后突然戒断会引起身体和情感上的厌恶反应，这也是导致吗啡复吸的重要诱因之一。鉴于此，研究人员提出了一个问题：这条神经通路是否也调节与阿片类药物戒断相关的厌恶过程？为此，他们探究了在纳洛酮诱导的吗啡戒断过程中IPN-NI通路的神经元发放情况。具体来说，小鼠接受连续四天剂量逐天增加的吗啡注射，建立起对吗啡的依赖。在此基础上，给小鼠腹腔注射阿片受体阻滞剂纳洛酮，即可诱导出其强烈的生理和心理戒断症状。结果表明，当小鼠进入到与纳洛酮注射偶联的环境之时，IPN-NI Pax7通路显示出与对照组相比更高的神经元活性，提示该通路与纳洛酮介导的吗啡戒断反应关联。更进一步，如果损毁IPN-NI通路，则可显著缓解由吗啡戒断诱导的条件位置厌恶（图5）。这些数据表明，IPN-NI通路不仅参与自然条件下的恐惧调节，而且在阿片类药物戒断等特殊过程中也起到重要作用。

图5. IPN-NI通路调节吗啡戒断相关的厌恶反应

综上所述，IPN神经元接受来自MHb和前脑、中脑各区的信息，再通过内部微环路将信息进一步整合，最终传递给其下游NI。IPN-NI环路不仅可以放大恐惧反应，增强回避行为，还参与药物戒断相关的厌恶反应。与杏仁核等相关环路不同，IPN-NI环路并不直接产生厌恶情绪，而是作为厌恶反应的放大器，能够灵活而精确地对外部刺激做出适应性调节，为治疗精神疾病以及药物戒断提供了新的潜在治疗靶点。

论文信息

北京生命科学研究所梁婧文博士（现为英国MRC分子生物学实验室博后）、北京脑科学与类脑研究所和北京大学联合培养博士生周钰为本文共同第一作者，周钰和罗敏敏博士为共同通讯作者。该论文的其他作者还包括北京生命科学研究所的冯琦茹博士和周宥彤，华中科技大学的江涛博士、贾雪艳和龚辉教授，海南大学的任淼博士，首都医科大学的狄润和北京大学医学部的焦培杰。

本研究受科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、中国医学科学院医学神经生物学创新单元、新基石研究员项目及北京市政府的资助。