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【Cell】社交导航“地图”?科学家又有重大发现啦!社交-空间位置学习相关的神经环路揭开面纱...

发布时间: 2018/05/18浏览次数: 632

社会行为对于哺乳动物至关重要。目前前额叶皮层medialprefrontal cortex(mPFC),特别是mPFC亚区前边缘皮层prelimbic cortex(PL),被认为参与到社会行为的编码之中。但是对于前边缘皮层哪类神经元以及如何参与到社会行为中尚不清楚。普林斯顿大学神经科学研究所的llana B. Witten博士近期通过使用美国INSCOPIX公司的nVista神经元超微成像系统(www.inscopix.com),发现并印证了PL-NAc环路与社交-空间位置的学习相关


通讯作者介绍

llana B. Witten, PhD | PrincetonUniversity

    llanaB. Witten是普林斯顿大学神经科学研究所的副教授,她实验室主要致力于解析奖赏学习和决策的神经环路基础。Witten 2002年本科毕业于普林斯顿大学物理专业并获得学士学位,于2008年在斯坦福大学获得博士学位,随后进入斯坦福大学光遗传之父karl Deisseroth实验室完成博后工作,在博后期间,主要利用光遗传技术等解析小鼠奖赏行为的神经调节机制。




文章摘要




    在小鼠等啮齿类动物中最典型的社会行为就是小鼠会探索同性小鼠,其中包括嗅探(sniffing)和清理(grooming)。科学家认为,这种社交探索行为对于小鼠本身是一种奖赏,因为证据表明当小鼠A嗅探同性小鼠B后,隔一段时间,小鼠A仍会回到当初遇见“小鼠B”的位置,同时在小鼠A的伏隔核区域释放大量的多巴胺(快乐分子)。尽管已经有大量的研究表明社会探索的奖赏效应,但是对于由于错综复杂的神经网络,目前对于了解社会探索的神经环路基础仍具有一定的挑战性。科学家发现,大脑前边缘皮层PL,以及它的几个下游核团,如杏仁核BLA,伏隔核NAc以及腹内侧被盖核VTA可能参与社会探索的编码过程中。


    研究发现,如果激活前边缘皮层PL可以显著降低小鼠探索同性小鼠的时间,因此证明PL在社交偏好中的重要性。但是,抑制PL区域的内源性活动并没有对社会偏好产生影响。矛盾的结果提示了前人激活前边缘皮层PL产生小鼠社交探索时间的降低可能是非生理状态下过度激活产生的假阳性结果。


    因此,作者为了回答这个问题,以及更具体阐明前边缘皮层PL在社交探索中的重要贡献,他们从前边缘皮层PL的下游投射核团出发,根据下游投射支配的核团,定义不同的PL神经元亚群,他们发现激活前边缘皮层PL-伏隔核环路NAc能显著降低小鼠社会探索,并且作者进一步利用nVista神经元超微成像技术(美国INSCOPIX公司)发现PL大部分神经元都能在社会交互中被激活(social neurons),让人惊喜的是,某些神经元的活动会依赖于社会交互的空间位置(spatial neurons)。根据这一发现,作者利用光遗传学空间特异性激活PL的神经元,发现激活前边缘皮层PL-伏隔核NAc环路可以促进社交-空间信息的整合。在探索期间,空间特异性地(划重点!!)操控该环路可以双向调节对社交探索位置的偏好。因此,前边缘皮层-伏隔核环路编码社交-空间位置的学习。



文章摘图


作者通过在NAc (nucleus accumbens),VTA (ventral tegmental),amygdala分别注射不同颜色的CTB,发现从PL (prelimbic cortex) 投射到这些区域的神经元在空间位置的分布是不同的,但是投射的密度却没有差异性。通过RNA 测序的方法也验证了这些投射到不同下游的神经元的分子表达也是有差异。


作者在PL注射CaMKIIa启动的ChR2病毒,并分别在NAc,amygdala,VTA用光刺激激活从PL投射过来的神经元轴突,探究小鼠在线性三箱测试(linear 3-chamber assay)中的行为变化。他们发现PL-NAc的环路会抑制小鼠的社交偏好行为而不改变小鼠的运动功能,但是PL-VTA的环路增加了小鼠运动功能,却不对其社交偏好产生影响,PL-amygdala的环路对社交和运动功能均不产生影响。


同样,在屋笼测试(home-cage assay)中,激活PL-NAc的环路也能抑制小鼠的社交探索时间。



作者通过CAV方法在小鼠PL-NAc环路表达GCamp6m,并使用美国Inscopix 公司的神经元超微成像技术,通过Microscope和GRIN lens记录了单个神经元在线性三箱测试的活性变化。通过随机变换社交目标(social target)和新物体(novel object)的位置,作者发现,PL中存在两类比较特异活动的神经元:social neuron和spatial neuron。其中social neuron在小鼠接近社交目标时活性会显著提高,并且这种活性的提高不依赖小鼠的空间位置;而spatial neuron则相反,他们在小鼠仅处于某个特定空间位置时显示出提高的活性,与是否接触社交目标无关


进一步的探究发现,在线性三箱测试中有部分神经元仅在小鼠探索处于一个特定位置的社交目标时才显示出增强的活性,但这种活性的增强却是与其所处的空间位置无关的,不显示出空间偏好性。这提示PL-NAc环路编码了社交和小鼠所处空间位置的联合信息。


同样,他们在屋笼实验中也发现类似的结果,即PL-NAc环路是编码社交和空间位置共同信息的环路。通过联合社交作用和空间位置的数学模型能更好地预测神经元的活性,而仅通过社交模型或空间位置模型无法很好地预测神经元的活性。综上结果说明PL-NAc的环路的确可能是编码社交和小鼠所处空间位置的联合信息。


随后作者通过在PL-NAc环路上表达NpHR抑制性光敏感通道病毒,并直接抑制其活性来探究PL-NAc环路在形成社交偏好性中的作用,并使用social CPP (conditioned place preference) 检测小鼠的社交偏好行为。他们发现小鼠在光抑制区对社交目标的社交时间会减少,但是在对照组区域却不产生变化,显示出一定偏好性,然而当光抑制区没有社交目标的情况下,小鼠并不会出现位置的偏好性,说明PL-NAc的环路是与社交-空间位置的学习相关。用ChR2重复上述实验的结果也能很好地符合假说。


在本次研究中,美国Inscopix公司的神经元超微成像技术非常亮眼,nVista & nVoke(结合光遗传)这两套系统不仅可以长时间跟踪并记录单个神经元,更能让您目睹实验对象脑内1000+神经元实时放电情况。nVista 3.0 更是全面升级,现在Microscope仅重1.8g,数据分析软件也有了重大的技术突破,自动聚焦解放您的双手!请相信我们一直在为更好地服务于您伟大的科研计划而努力!


参考文献:

CombinedSocial and Spatial Coding in a Descending Projection from the Prefrontal Cortex,Cell,2017


拓展了解





       近年来,在体萤光显微钙成像研究越来越广泛,美国INSCOPIX公司拥有着完全成熟的nVista技术团队与Inscopix数据分析软件,并且lens的长度已能达到深部脑区,最新研发的nVoke更是在nVista的基础上增加了光遗传功能,能够帮助您更深入全面地解码大脑,完全满足您对于在体钙成像的脑神经测量。美国INSCOPIX公司作为miniscope技术的发明者和引领者,将竭诚助力您伟大的实验计划。


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Inscopix nVista已发表论文(部分)

Identification of a motor-to-auditory pathway important for vocal learning

Todd F Roberts, Erin Hisey, Masashi Tanaka, Matthew G Kearney, Gaurav Chattree, Cindy F Yang, Nirao M Shah & Richard Mooney;Nature Neuroscience 20, 978–986 (2017)


In vivo imaging of neural activity

Weijian Yang& Rafael Yuste;Nature Methods 14,349–359(2017)


Delay activity of specific prefrontal interneuron subtypes modulates memory-guided behavior

Tsukasa Kamigaki & Yang Dan;Nature Neuroscience 20, 854–863 (2017)


Active dentate granule cells encode experience to promote the addition of adult-born hippocampal neurons

Gregory W. Kirschen, Jia Shen, Mu Tian, Bryce Schroeder, Jia Wang, Guoming Man, Song Wu and Shaoyu Ge;Journal of Neuroscience 3 April 2017, 3417-16


Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory

Takashi Kitamura, Sachie K. Ogawa, Dheeraj S. Roy, Teruhiro Okuyama, Mark D. Morrissey, Lillian M. Smith, Roger L. Redondo, Susumu Tonegawa;Science  07 Apr 2017


Neural ensemble dynamics underlying a long-term associative memory

Benjamin F. Grewe ,Jan Gründemann ,Lacey J. Kitch ,Jerome A. Lecoq, Jones G. Parker,Jesse D. Marshall ,Margaret C. Larkin ,Pablo E. Jercog ,Francois Grenier ,Jin Zhong Li,Andreas Lüthi ,Mark J. Schnitzer;Nature 543, 670–675 (30 March 2017)


(论文持续发表中,全球的科学家通过使用Inscopix nVista已发表了几十篇论文!)


格罗贝尔生物科技公司依托强大的学术资源和第一手的国际科研信息,致力于引进国外先进的科学仪器设备,服务于中国科研用户。目前公司经营的产品涉及:神经元超微成像,电生理,眼动追踪,动物行为学设备等,产品出自世界各地著名的生物仪器制造商,其中,由我们代理的国外知名厂家包括:美国Inscopix, 美国NeuroNexus Technologies, 加拿大VPixx Technologies, 美国Stoelting - ANY-maze, 美国TDT,以色列Optical Imaging,加拿大Rogue Research,英国Scientifica,美国 ISCAN, 以色列NAN INSTRUMENTS等。



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