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光遗传技术揭秘“逆境”中学习能力增强的神经环路机制
发布日期:2016-08-25    浏览次数:598

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(以下简称脑卓越中心)的中科院深圳先进技术研究院、武汉物理数学研究所与华中科技大学同济医学院合作,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,凭借高时空精准的光遗传技术的独特优势,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《自然-通讯》上(Nature Communications.2016, DOI: 10.1038/ncomms11935)。

各种来源的压力与应激是物种在其进化过程中所必须面对的,也是我们人类在日常工作生活中不可回避的。人们都希望远离压力,远离各种不愿意接受的现实,但是,想要生存或者有所进步,就必须勇敢面对一些“逆境”,可以说逆境是强者的试金石,正如严冬成就了寒梅的芬芳。“迎寒独自开”是梅花的坚韧品质,而用来衡量一个人面对逆境时处理问题能力高低的特质,人们也称为逆境商(Adversity Quotient),它也是一个人成功的内在保证。在面对“逆境”的过程中,大脑的积极“心态”不仅可以帮助人们顺利摆脱“逆境”,而且还可以在很大程度上增强大脑的学习能力。那么,在我们复杂的大脑神经网络中,到底隐藏着怎样的秘密,使得我们可以从容地面对“逆境”,增强我们适应环境和学习记忆的能力呢?

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”。
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率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,如若移除了平台,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,实验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,这个过程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?该研究的合作者脑卓越中心武汉物数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,逆向示踪研究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在功能上是否真实参与处理上述这种行为呢?

该项目团队充分利用来自脑卓越中心的另一团队——深圳先进技术研究院-MIT麦戈文联合脑认知和脑疾病研究所的王立平团队开放的光遗传技术研发平台细致解析了其中其中的神经环路功能。结合光遗传技术和多通道同步光刺激与电记录技术,向BLP的兴奋性神经元内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。

运用光遗传学技术在离体脑片和活体动物两个层次来解析和调控BLP-vCA1神经通路。当激活这条通路时,可以显著增强腹侧海马CA1区神经元放电,并模拟希望学习,引起一系列神经可塑性变化,从而增强动物的空间学习能力。(图片修改自原文)

研究团队还发现接受“希望”训练的小鼠的腹侧海马神经元变得更加复杂。如果将神经元比作一棵大树,神经突就是大树的树枝,而树突棘则是树枝上的叶片,“希望”小鼠vCA1神经元的神经突分枝数量、树突棘的生成和成熟度显著高于对照组,这些大树远比其他两组茂盛,而“绝望大树”反而有些枯萎,叶片凋零。同时,分子生物学检测结果发现“希望”小鼠vCA1神经元突触后膜上AMPA受体数目明显增多,而后者作为一种离子型谷氨酸受体,介导中枢神经系统快速兴奋性突触传递,其在突触后膜的动态表达与长时程增强、长时程抑制的诱发和维持有关,参与调节学习记忆活动。一般认为长时程增强(记忆产生的基础)伴随AMPA受体上膜,数量增加。而在绝望组动物中,这些指标是下降的。也就是说,“希望”和“绝望”训练过程中产生的正性或负性情绪确实改变了腹侧海马的神经网络的复杂性,大脑的网络连接是复杂又动态变化的,前者的改变可能影响整个海马甚至其他与其关联的与空间定位学习相关的脑区,比如内嗅皮层,因此导致了动物空间学习能力相应的变化。

结论:自然界中的各个物种,都难以避免的终日受到各种“应激”的恶性刺激;人的一生也无法避免各种“逆境”。“逆境”中时,大脑的冷静和乐观情绪,将使得我们不仅可以提升自身的学习能力,还将为寻找解决问题的最佳方案提供重要的自身素养上的保障。此特定大脑功能结构和功能图谱的精准解析,不仅为我们更加细致地研究“逆境商”与其他大脑认知功能的相互作用提供新的研究思路,还将为进一步认识与空间学习能力和海马依赖的短时记忆缺陷有关的大脑退行性疾病提供新的神经环路机制和潜在的干预靶点。

此项研究是由华中科技大学同济医学院的王建枝团队,和中科院脑卓越中心的两个课题组——深圳先进技术研究院王立平团队和武汉物理与数学研究所徐富强团队等联合攻关完成的;王立平研究员和王建枝教授为论文共同通讯作者。该研究得到国自然基金委和中科院战略先导专项的资助。

原文链接:http://www.nature.com/ncomms/2016/160714/ncomms11935/full/ncomms11935.html