先天風險規避行為的神經機制

來自專欄行為與認知神經科學

作者：@Cohen , @EffieLiu

審稿：@insoulter

躲避致命風險的本能是生物得以生存的關鍵。在危機四伏的非洲大草原上，鹿群們在覓食的同時，也無時無刻地警惕著它的天敵。在一個危險的環境里求得生存，我們既需要主動探索生存的必需品，同時也要對潛在的危害保持警惕，進行風險規避。不過，駕馭這種平衡是大腦最基本的功能之一。Blomeley等人表明[1]，做出安全的決定由外側下丘腦特定區域的一小簇神經元群負責，其中食慾肽（orexin,也稱為hypocretin，譯作下丘腦泌素）特異性表達於該神經元群中，只有很少數量的細胞負責產生食慾肽，但是這些食慾肽的影響卻可直達整個腦部。這些神經元能被各種內外部的壓力因素所激活，在全腦範圍投射並釋放食慾肽，通過作用於整個中樞神經系統廣泛分布的orexin受體，從而引起中樞神經系統和自主神經系統興奮。

食慾肽是在1998年幾乎同時由兩個獨立的研究小組對小鼠腦的研究中發現的。一組命名為食慾肽（Orexin），以表明它「開胃」和「促進食慾」的作用；另一組將其命名為下丘腦泌素（hypocretin），因為它是在下丘腦產生的，並且與促胰液素很相似[2]。食慾肽具高度興奮作用，在動機激活中起著廣泛的作用，對尋求自然和藥物的獎賞以及對急性壓力源的反應也非常重要[3]。然而最新的研究表明，食慾肽神經元通過選擇性投射到伏隔核（nucleus accumbens, NAc）的一個亞區，參與風險規避行為的調節。因此，食慾肽神經元不僅能促進行為，也能夠抑制行為。從而，這些神經元使得動物有了比過去預期更為廣泛的生存適應能力。

D1受體與D2受體：分別參與直接通路和間接通路

我們知道，在背側紋狀體中，紋狀體中多棘神經元（striatal medium spiny neurons，MSNs）主要表達兩類受體——D1和D2類，且表達這兩種受體的MSNs神經元散佈於紋狀體中。這兩類受體分別涉及兩條不同的通路：直接通路和間接通路。在直接通路中，表達多巴胺D1受體的MSNs接收來自皮層中神經元的輸入並且投射到黑質網狀部以及蒼白球內部，對行為起促進作用。在間接通路中，表達多巴胺D2受體的MSNs接收來自皮質中錐體束神經元的輸入並投射到蒼白球外側部，蒼白球外側部再反過來投射到丘腦底核(STN)和黑質網狀部，對行為起抑制作用[4]。這樣，多巴胺既可以通過興奮性D1受體興奮MSNs，也可以通過作用於抑制性D2受體抑制MSNs群體的活性，從而使得這些神經元群可以在丘腦—皮層運動通路的不同輸出途徑中做出選擇，而不同的輸出途徑通常表徵著不同的相互競爭性的行為規劃。

圖1. 紋狀體投射通路。在直接的「GO」通路中，表達多巴胺D1受體的MSNs接收來自端腦皮層中投射神經元的輸入並且投射到黑質網狀部（SNr）以及蒼白球的內部節段（GPI）。在間接的「STOP」通路中，表達多巴胺D2受體的MSNs接收來自皮質錐體束（PT）神經元的輸入，不直接投射至黑質網狀部，而是投射到蒼白球外側部（GPe），蒼白球外側部再反過來投射到丘腦底核(STN)和黑質網狀部，D1和D2 MSNs也接收來自黑質緻密部（SNc）和丘腦的傳入。（From Jane Y Chen，2013）

圖2. IT型和PT型皮層神經元對兩種主要紋狀體神經元的投射示意圖。如果區分的更細緻點，端腦內側束(intratelencephalic,IT)和錐體束(pyramidal tract,PT)神經元是皮層內的兩類錐體神經元,兩者與基底神經節各核團之間存在密切的纖維聯繫,分別作用於含有substance P (SP)和表達D1型受體的直接通路和含有腦啡肽enkephalin (eNK)和表達D2型多巴胺受體的間接通路，在運動調節中發揮著不同的調控作用。（From Anton Reiner，2010）

Blomeley等人的研究展示了食慾肽神經元控制伏隔核MSNs神經元群的機制（伏隔核是腹側紋狀體的一部分）。具體而言，他們發現食慾肽神經元選擇性地投射於表達D2受體的MSNs，表達D2受體的MSNs興奮，激活了抑制通路，從而抑制冒險行為。例如當小鼠為了尋求獎勵而冒險進入露天的場地或穿過有潛在危險的房間(房間內放置了散發小鼠天敵氣味的東西)，投射通路的食慾肽信號調節伏隔核MSNs神經元群活動，使得小鼠能抑制冒險行為。那麼問題來了，食慾肽如何作用於表達D1和D2受體的MSNs？

食慾肽直接投射於D2 MSNs，間接投射於D1 MSNs

食慾肽通過orexin1或者orexin2受體刺激D2表達的伏隔核MSNs，卻並不刺激D1表達的MSNs。進一步研究表明，這種抑制環路的特別之處在於食慾肽神經元投射通路：食慾肽神經元直接投射於表達D2的MSNs，但是間接投射於D1神經元——先投射至神經肽Y神經元再投射至D1神經元。具體表現為食慾肽興奮D2表達的MSNs時，也會強烈地興奮伏隔核中的神經肽Y中間神經元，從而強烈地抑制MSNs。因此這樣的解剖結構可能解釋為什麼我們會降低冒險行為，這可能也意味著食慾肽可以通過刺激D2表達的MSNs，同時間接抑制D1 表達的MSNs來抑制風險行為規劃。

圖3. 下丘腦中食慾肽神經元到伏隔核的投射信號興奮了D2表達的MSNs參與的間接通路，這可能是當我們在執行一個行動計劃，且抑制其他具體行動計劃時涉及到的神經通路。當小鼠準備穿越含有其天敵氣味的房間獲得食物時, 該通路活動能促進危險規避的情況，即抑制冒險行為。 而D1表達的MSNs沒有被食慾肽興奮，而是抑制性的神經肽Y（NPY）中間神經元產生了興奮。（圖片來源：Nature Publishing Group.）

食慾肽、伏隔核的D2 MSNs與風險規避行為

先前的研究表明，食慾肽信號對於誘導焦慮狀態是充分且必要的，例如誘導嚙齒動物本能風險規避行為（本能風險規避指的是不需要通過學習就掌握的風險規避，它是焦慮行為的一個指標）或人類的驚恐發作；另有研究發現伏隔核中參與間接通路抑制行為的D2神經元興奮後，能驅動後天風險規避行為（這是一種後天訓練學會的風險規避行為）[5]。那麼，食慾肽信號與D2細胞如何共同作用，調控本能的規避風險行為？

首先，為了檢測伏隔核中D2 MSNs細胞產生的興奮是否源自外側下丘腦的orexin神經元，研究者們用光遺傳學方法，用光刺激伏隔核內orexin神經元的軸突，發現了D2 MSNs細胞的興奮，從小鼠腦切片中記錄中可以看到（圖4），並且該興奮可通過使用orexin受體拮抗劑而被消除。Orexin刺激並不影響伏隔核D1細胞。外側下丘腦中還含有不同於orexin神經元的黑色素聚集激素（MCH）神經元，通過狂犬病毒輔助逆向追蹤伏隔核D2細胞的直接輸入，發現伏隔核D2投射的外側下丘腦神經元中更可能含有orexin而不是MCH（圖5），且光遺傳刺激伏隔核內的MCH神經元軸突卻沒有改變D2 伏隔核細胞的興奮性。總的來說，這些數據表明特異性的外側下丘腦→伏隔核迴路活動。

圖4. 對orexin到伏隔核D2細胞的投射神經元的軸突進行光刺激（藍色）的電壓（左側）和電流（右側）活動的記錄。TCS/SB（TCS-OX2-29和SB 334867）是orexin受體阻斷劑組，發現D2細胞的興奮可通過orexin受體拮抗劑作用而被消除。

圖5. 通過狂犬病毒輔助逆向跨單突觸追蹤伏隔核D2細胞的直接輸入細胞類型的免疫組化學結果。免疫組織化學方法是將已知抗體標上熒光分子,以此作為探針檢查細胞或組織內的相應抗原的方法。當抗原抗體複合物中的熒光素受激發光的照射後會發出一定波長的熒光，從而可以對組織中的抗原定位或定量。通過該方法，發現伏隔核D2投射的外側下丘腦神經元（LH）中更可能含有orexin而不是MCH。

接下來，為了探索外側下丘腦中內源性的orexin和伏隔核D2細胞信號在行為選擇中的作用，研究者們採用了兩種行為檢測方法（曠場和天敵氣味規避）對先天風險規避行為進行量化，並且結合化學遺傳和藥理學方法對伏隔核D2 細胞和orexin信號進行調節，通過比較天然信號與信號特異性抑制的腦功能所導致的行為表現差異來分離這些信號。結果發現，通過orexin受體拮抗劑抑制內源orexin信號導致冒險行為增多;通過化學沉默或刺激伏隔核D2細胞，發現伏隔核D2細胞對於正常的先天風險迴避是充分且必要的（具體分析見圖6）。

圖6. Orexin對於先天風險規避的充分性：（左側的小鼠行為熱圖）orexin活動的增加使得風險規避行為增加；orexin對於先天風險規避的必要性：（右側柱狀圖的綠色線條代表的差異），其中saline是指鹽水，是對照組；SB是orexin受體的拮抗劑，表示缺乏orexin的一組，可以看出先天風險規避行為的減少僅由缺乏orexin導致的；而CNO組是表示抑制D2細胞的一組，伏隔核D2細胞對於正常的先天風險迴避的必要性可以通過紫色線條代表的差異體現出來，即伏隔核D2細胞被抑制，使得冒險行為增多，小鼠猶豫的時間也變短了。

然後他們通過全局性地沉默orexin受體（因為orexin受體全腦表達）和局部性沉默伏隔核D2 細胞，檢測由內源orexin或伏隔核D2信號引起的風險迴避的共依賴性。結果發現，通過沉默伏隔核D2細胞，內源orexin信號驅動的風險規避（通過比較有無orexin拮抗劑導致的行為差異來體現）被消除了。這表明，將內源orexin信號轉化為先天風險規避需要伏隔核D2細胞，並且其他orexin激發的細胞（包括此處鑒定的伏隔核NPY 細胞）對於該轉化不是必需的。隨後又分析了內源orexin信號對伏隔核D2細胞的行為輸出是否是必需的。發現，內源的伏隔核D2細胞興奮導致的風險規避（ 藉由D2-hM4Di小鼠中有無CNO而產生的行為差異來體現）由於orexin受體被阻斷而顯著降低，表明伏隔核D2細胞根據orexin調節行為。因此，orexin不僅足以刺激伏隔核D2 細胞，而且還可以在體內調節它們的行為輸出。

圖7. 內源orexin和伏隔核D2信號引起的風險迴避的共依賴性分析。orexin信號驅動的風險規避，通過比較有無SB導致的行為差異，比如左圖第1組與第3組的行為差異，發現差異很明顯，且差異純粹由orexin貢獻。繼而通過D2細胞沉默，即第4組，發現由orexin和D2細胞信號兩者貢獻的差異與單純orexin信號貢獻的差異沒多少區別，表明orexin信號驅動的風險規避被伏隔核D2細胞沉默而消除了；伏隔核D2細胞興奮導致的風險規避，如左圖第1組與第2組體現的差異，通過orexin受體阻斷，即第4組，發現差異信號相比單純由D2細胞興奮導致的差異而明顯降低，表明伏隔核D2細胞需要orexin信號來調節行為。

總體而言，這些研究證實了外側下丘腦食慾肽神經元直接投射於表達D2的MSNs，間接投射於D1神經元——先投射至神經肽Y神經元再投射至D1神經元，興奮D2表達的MSNs同時，也會通過伏隔核中的神經肽Y中間神經元，從而強烈地抑制MSNs；隨後D2通過間接通路抑制冒險行為。由此，也漸漸明白，當動物面對複雜多變的情境時，一方面有動機去主動探索獲取獎賞，但同時也要對潛在的風險保持警惕，對這一過程中動物大腦中發生了什麼，我們也開始有了更多的了解。

參考文獻：

[1] Blomeley, C., Garau, C. & Burdakov, D. et al.,Accumbal D2 cells orchestrate innate risk-avoidance according to orexin signals .Nat. Neurosci.(2017).

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Orexin

[3] Mahler, S. V., Moorman, D. E., Smith, R. J., James, M. H. &Aston-Jones, G. Motivational activation: a unifying hypothesis of orexin/hypocretin function. Nat. Neurosci. 17, 1298–1303 (2014).

[4] Nelson, A. B. & Kreitzer, A. C. Reassessing models of basal ganglia function and dysfunction.Annu. Rev. Neurosci. 37,117–135 (2014).

[5] Zalocusky. K A. et al., Nucleus accumbens D2R cells signal prior outcomes and control risky decision-making. Nature 531, 642-646 (2016).

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