李晓明团队在《Nature Neuroscience》发文，揭示恐惧和焦虑的新机制
过度的或反复的恐惧刺激是导致焦虑障碍的重要因素，而恐惧的核心脑中枢是杏仁核。临床研究发现双侧杏仁核损毁的患者仍然可以感受到恐惧并且表达恐惧情绪，提示存在杏仁核以外的恐惧情绪神经机制，然而独立于杏仁核的恐惧情绪神经机制迄今尚不清楚。
2024年2月12日，浙江大学医学院脑科学与脑医学学院、双脑中心李晓明教授团队在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）上发表了题为“一条细胞特异性的前脑至后脑四级神经环路能够独立于杏仁核介导嗅觉本能恐惧和焦虑”（A molecularly defined amygdala-independent tetra-synaptic forebrain-to-hindbrain pathway for odor-driven innate fear and anxiety）的研究论文，发现了脑内主嗅球→脚背侧皮层→外侧臂旁核→丘脑下旁核通路在恐惧和焦虑中的重要作用（图1）。
图1 主嗅球→脚背侧皮层→外侧臂旁核→丘脑下旁核通路连接示意图
嗅觉是常见的诱发动物本能恐惧的感知途径，利用狐狸粪便中的成分类似物2,4,5-三甲基-3-噻唑啉（TMT）作为恐惧刺激源，研究成员发现皮层杏仁核和内侧杏仁核神经元凋亡的小鼠表现出对TMT诱导的厌恶及冻结行为的明显降低，但并不能完全阻断小鼠的恐惧反应，且对TMT诱发的恐惧逃跑行为无明显影响。那么，哪个脑区可能介导嗅觉本能恐惧逃跑行为呢？
接下来，论文第一作者王浩博士对TMT刺激后的小鼠进行全脑Fos免疫组化染色，他发现脚背侧皮层（dorsal peduncular cortex, DP）Fos表达显著增加， DP接受主嗅球（main olfactory bulb, MOB）特异性输入，并且MOB-DP神经环路经TMT刺激后活性显著升高（图2）。
图2 MOB-DP神经环路参与TMT诱导的嗅觉本能恐惧
那么，DP在嗅觉本能恐惧中发挥怎样的作用呢？“利用凋亡病毒抑制DP神经元功能，小鼠面对TMT刺激时不会表现出明显的逃跑行为，并且厌恶、冻结行为也显著降低。”王浩博士介绍，“相反利用光遗传学的方法激活DP会诱发小鼠产生逃跑行为，并导致瞳孔变大、心率降低等嗅觉本能恐惧样反应。”
同时，研究人员对杏仁核局部损毁的小鼠联合给予光遗传学抑制DP神经元功能，发现杏仁核局部损毁联合黄光抑制后小鼠对TMT诱发的逃跑行为几乎消失，并且厌恶、冻结行为进一步降低。“有趣的是，投射至DP与皮层杏仁核的主嗅球僧帽/丝状细胞是两群独立的神经元。”论文共同第一作者王勤博士说，“这些功能及结构的结果表明，DP能够独立于杏仁核介导嗅觉本能恐惧。”那么，DP接受主嗅球的信息输入后如何将天敌气味导致的恐惧情绪传递下去的呢？
联合病毒示踪及膜片钳电生理等技术，研究人员发现DP可以与前端浅层外侧臂旁核（superior part of lateral parabrachial nucleus, PBNsl）胆囊收缩素（cholecystokinin, Cck）阳性神经元形成兴奋性突触连接，而PBNslCck+阳性神经元又可以继续下行支配丘脑下旁核（parasubthalamic nucleus, PSTh）的速激肽1（tachykinin 1, Tac1）阳性神经元，绘制出一条具有分子特异性标记的MOBSlc17a7+→DPCamk2a+→anterior PBNslCck+→PSThTac1+四级神经环路。
那么，这样的四级神经环路是否介导嗅觉本能恐惧呢？围绕这个科学问题，博士生崔刘哲、冯筱扬等对神经环路的功能展开了进一步研究，他们发现：该神经环路在TMT诱发的嗅觉本能恐惧逃跑行为中显著激活（图3：前端PBNslCck+阳性神经元单细胞钙成像）；光遗传学抑制这条通路显著降低小鼠的逃跑行为，改善嗅觉本能恐惧样行为；在皮层和内侧杏仁核同时损毁的小鼠中，激活这条通路仍然可以诱发小鼠逃跑行为并能够模拟出嗅觉本能恐惧样的自主神经变化。这些研究结果表明，绘制出的这条前脑至后脑的神经环路参与并能够独立于杏仁核调控嗅觉本能恐惧。
图3 TMT靠近小鼠鼻子时前端PBNslCck+阳性神经元的单细胞钙成像结果
（南京脑观象台微型化双光子显微成像技术支持）
由于反复、过度的恐惧刺激会导致焦虑障碍等精神疾病，接下来团队成员研究了该通路在焦虑中的作用。“我们发现光遗传学连续激活这条通路3天，每天1小时，小鼠即表现出非常明显的焦虑样表型”，王浩博士介绍，“在急性束缚应激导致的焦虑样模型小鼠中，抑制该通路则显著逆转小鼠的焦虑样行为”。
该研究新发现一条嗅球→脚背侧皮层→外侧臂旁核→丘脑下旁核的四级神经环路，并揭示该通路能够以独立于杏仁核的方式，参与并调控嗅觉本能恐惧和焦虑。论文通讯作者李晓明教授认为，该研究不仅拓展并加深了人们对恐惧和焦虑神经机制的理解和认识，也为理解焦虑障碍等精神疾病的发病机制提供了新的思路。
浙江大学李晓明教授为该研究成果的通讯作者，医学院附属精神卫生中心特聘研究员王浩博士为论文的第一作者，博士后王勤、博士生崔刘哲、冯筱扬为论文的共同一作。北京生命科学研究所曹鹏研究员为该研究提供了大力的帮助和支持。浙江大学医学院黄慧倩、曹淑霞和连虹老师，董平博士和博士生谭立恒、林琳也为该研究做出了重要贡献。该研究受到国家科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金等资助，得到南京脑观象台微型化双光子显微成像技术的支持。
供稿 | 李晓明课题组
往期回顾
▲浙江大学医学院脑科学与脑医学学院/附属第二医院脑科中心李晓明课题组诚聘研究员/博士后
浙江大学
脑科学与脑医学学院
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