先天风险规避行为的神经机制

作者：Cohen ,EffieLiu

审稿：insoulter

编辑：shin

躲避致命风险的本能是生物得以生存的关键。在危机四伏的非洲大草原上，鹿群们在觅食的同时，也无时无刻地警惕着它的天敌。在一个危险的环境里求得生存，我们既需要主动探索生存的必需品，同时也要对潜在的危害保持警惕，进行风险规避。不过，驾驭这种平衡是大脑最基本的功能之一。Blomeley等人表明[1]，做出安全的决定由外侧下丘脑特定区域的一小簇神经元群负责，其中食欲肽（orexin,也称为hypocretin，译作下丘脑泌素）特异性表达于该神经元群中，只有很少数量的细胞负责产生食欲肽，但是这些食欲肽的影响却 可直达整个脑部 。这些神经元能被各种内外部的 压力因素所激活 ，在全脑范围投射并释放食欲肽，通过作用于整个中枢神经系统广泛分布的orexin受体，从而引起中枢神经系统和自主神经系统兴奋。

食欲肽 是在1998年几乎同时由两个独立的研究小组对小鼠脑的研究中发现的。一组命名为食欲肽（Orexin），以表明它“开胃”和“促进食欲”的作用；另一组将其命名为下丘脑泌素（hypocretin），因为它是在下丘脑产生的，并且与促胰液素很相似[2]。 食欲肽具高度兴奋作用，在动机激活中起着广泛的作用 ，对寻求自然和药物的奖赏以及对急性压力源的反应也非常重要[3]。然而最新的研究表明，食欲肽神经元通过选择性投射到伏隔核（nucleus accumbens, NAc）的一个亚区， 参与风险规避行为的调节 。因此，食欲肽神经元不仅 能促进行为，也能够抑制行为。 从而，这些神经元使得动物有了比过去预期更为广泛的生存适应能力。

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D1受体与D2受体：分别参与直接通路和间接通路

我们知道，在背侧纹状体中，纹状体中多棘神经元（striatal medium spiny neurons，MSNs）主要表达两类受体——D1和D2类，且表达这两种受体的MSNs神经元散布于纹状体中。这两类受体分别涉及两条不同的通路：直接通路和间接通路。 在直接通路中 ，表达多巴胺D1受体的MSNs接收来自皮层中神经元的输入并且投射到黑质网状部以及苍白球内部， 对行为起促进作用 。 在间接通路中 ，表达多巴胺D2受体的MSNs接收来自皮质中锥体束神经元的输入并投射到苍白球外侧部，苍白球外侧部再反过来投射到丘脑底核(STN)和黑质网状部， 对行为起抑制作用[4] 。这样，多巴胺既可以通过兴奋性D1受体兴奋MSNs，也可以通过作用于抑制性D2受体抑制MSNs群体的活性，从而使得这些神经元群可以在丘脑—皮层运动通路的不同输出途径中做出选择，而不同的输出途径通常表征着不同的相互竞争性的行为规划。

图1. 纹状体投射通路。在直接的“GO”通路中，表达多巴胺D1受体的MSNs接收来自端脑皮层中投射神经元的输入并且投射到黑质网状部（SNr）以及苍白球的内部节段（GPI）。在间接的“STOP”通路中，表达多巴胺D2受体的MSNs接收来自皮质锥体束（PT）神经元的输入，不直接投射至黑质网状部，而是投射到苍白球外侧部（GPe），苍白球外侧部再反过来投射到丘脑底核(STN)和黑质网状部，D1和D2 MSNs也接收来自黑质致密部（SNc）和丘脑的传入。（FromJane Y Chen，2013）

图2. IT型和PT型皮层神经元对两种主要纹状体神经元的投射示意图。如果区分的更细致点，端脑内侧束(intratelencephalic,IT)和锥体束(pyramidal tract,PT)神经元是皮层内的两类锥体神经元,两者与基底神经节各核团之间存在密切的纤维联系,分别作用于含有substance P (SP)和表达D1型受体的直接通路和含有脑啡肽enkephalin (eNK)和表达D2型多巴胺受体的间接通路，在运动调节中发挥着不同的调控作用。（From Anton Reiner，2010）

Blomeley等人的研究展示了食欲肽神经元控制伏隔核MSNs神经元群的机制（伏隔核是腹侧纹状体的一部分）。具体而言，他们发现 食欲肽神经元选择性地投射于表达D2受体的MSNs，表达D2受体的MSNs兴奋，激活了抑制通路，从而抑制冒险行为。 例如当小鼠为了寻求奖励而冒险进入露天的场地或穿过有潜在危险的房间(房间内放置了散发小鼠天敌气味的东西)，投射通路的食欲肽信号调节伏隔核MSNs神经元群活动，使得小鼠能抑制冒险行为。那么问题来了，食欲肽如何作用于表达D1和D2受体的MSNs？

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食欲肽直接投射于D2 MSNs， 间接投射于

D1 MSNs

食欲肽通过orexin1或者orexin2受体刺激D2表达的伏隔核MSNs，却并不刺激D1表达的MSNs。进一步研究表明，这种抑制环路的特别之处在于食欲肽神经元投射通路：食欲肽神经元直接投射于表达D2的MSNs，但是 间接投射于D1神经元——先投射至神经肽Y神经元再投射至D1神经元。 具体表现为食欲肽兴奋D2表达的MSNs时，也会强烈地兴奋伏隔核中的神经肽Y中间神经元，从而强烈地抑制MSNs。因此这样的解剖结构可能解释为什么我们会降低冒险行为， 这可能也意味着食欲肽可以通过刺激D2表达的MSNs，同时间接抑制D1 表达的MSNs来抑制风险行为规划。

图3. 下丘脑中食欲肽神经元到伏隔核的投射信号兴奋了D2表达的MSNs参与的间接通路，这可能是当我们在执行一个行动计划，且抑制其他具体行动计划时涉及到的神经通路。当小鼠准备穿越含有其天敌气味的房间获得食物时, 该通路活动能促进危险规避的情况，即抑制冒险行为。 而D1表达的MSNs没有被食欲肽兴奋，而是抑制性的神经肽Y（NPY）中间神经元产生了兴奋。（图片来源：Nature Publishing Group.）

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食欲肽、伏隔核的D2 MSNs与风险规避行为

先前的研究表明， 食欲肽信号 对于诱导焦虑状态是充分且必要的，例如诱导啮齿动物本能风险规避行为（本能风险规避指的是不需要通过学习就掌握的风险规避，它是焦虑行为的一个指标）或人类的惊恐发作；另有研究发现伏隔核中参与间接通路抑制行为的 D2神经元 兴奋后，能驱动后天风险规避行为（这是一种后天训练学会的风险规避行为）[5]。那么，食欲肽信号与D2细胞如何共同作用，调控本能的规避风险行为？

首先，为了检测伏隔核中D2 MSNs细胞产生的兴奋是否源自外侧下丘脑的orexin神经元，研究者们用光遗传学方法，用光刺激伏隔核内orexin神经元的轴突，发现了D2 MSNs细胞的兴奋，从小鼠脑切片中记录中可以看到（图4），并且该兴奋可通过使用orexin受体拮抗剂而被消除。Orexin刺激并不影响伏隔核D1细胞。外侧下丘脑中还含有不同于orexin神经元的黑色素聚集激素（MCH）神经元，通过狂犬病毒辅助逆向追踪伏隔核D2细胞的直接输入，发现伏隔核D2投射的外侧下丘脑神经元中更可能含有orexin而不是MCH（图5），且光遗传刺激伏隔核内的MCH神经元轴突却没有改变D2 伏隔核细胞的兴奋性。总的来说，这些数据表明特异性的外侧下丘脑→伏隔核回路活动。

图4. 对orexin到伏隔核D2细胞的投射神经元的轴突进行光刺激（蓝色）的电压（左侧）和电流（右侧）活动的记录。TCS/SB（TCS-OX2-29和SB 334867）是orexin受体阻断剂组，发现D2细胞的兴奋可通过orexin受体拮抗剂作用而被消除。

图5. 通过狂犬病毒辅助逆向跨单突触追踪伏隔核D2细胞的直接输入细胞类型的免疫组化学结果。 免疫组织化学方法是将已知抗体标上荧光分子,以此作为探针检查细胞或组织内的相应抗原的方法。当抗原抗体复合物中的荧光素受激发光的照射后会发出一定波长的荧光，从而可以对组织中的抗原定位或定量。通过该方法，发现伏隔核D2投射的外侧下丘脑神经元（LH）中更可能含有orexin而不是MCH。

接下来，为了探索外侧下丘脑中内源性的orexin和伏隔核D2细胞信号在行为选择中的作用，研究者们采用了两种 行为检测方法 （旷场和天敌气味规避）对先天风险规避行为进行量化，并且结合 化学遗传和药理学方法 对伏隔核D2 细胞和orexin信号进行调节，通过比较天然信号与信号特异性抑制的脑功能所导致的行为表现差异来分离这些信号。结果发现，通过orexin受体拮抗剂抑制内源orexin信号导致冒险行为增多;通过化学沉默或刺激伏隔核D2细胞，发现伏隔核D2细胞对于正常的先天风险回避是充分且必要的（具体分析见图6）。

图6. Orexin对于先天风险规避的 充分性 ：（左侧的小鼠行为热图）orexin活动的增加使得风险规避行为增加；orexin对于先天风险规避的 必要性 ：（右侧柱状图的绿色线条代表的差异），其中saline是指盐水，是对照组；SB是orexin受体的拮抗剂，表示缺乏orexin的一组，可以看出先天风险规避行为的减少仅由缺乏orexin导致的；而CNO组是表示抑制D2细胞的一组， 伏隔核D2细胞对于正常的先天风险回避的必要性 可以通过紫色线条代表的差异体现出来，即伏隔核D2细胞被抑制，使得冒险行为增多，小鼠犹豫的时间也变短了。

然后他们通过全局性地沉默orexin受体（因为orexin受体全脑表达）和局部性沉默伏隔核D2 细胞，检测由内源orexin或伏隔核D2信号引起的风险回避的共依赖性。结果发现，通过沉默伏隔核D2细胞，内源orexin信号驱动的风险规避（通过比较有无orexin拮抗剂导致的行为差异来体现）被消除了。这表明，将内源orexin信号转化为 先天风险规避需要伏隔核D2细胞 ，并且其他orexin激发的细胞（包括此处鉴定的伏隔核NPY 细胞）对于该转化不是必需的。随后又分析了内源orexin信号对伏隔核D2细胞的行为输出是否是必需的。发现，内源的伏隔核D2细胞兴奋导致的风险规避（ 借由D2-hM4Di小鼠中有无CNO而产生的行为差异来体现）由于orexin受体被阻断而显着降低，表明伏隔核D2细胞根据orexin调节行为。因此，orexin不仅足以刺激伏隔核D2 细胞，而且还可以在体内调节它们的行为输出。

图7. 内源orexin和伏隔核D2信号引起的风险回避的共依赖性分析。 orexin信号驱动的风险规避，通过比较有无SB导致的行为差异，比如左图第1组与第3组的行为差异，发现差异很明显，且差异纯粹由orexin贡献。继而通过D2细胞沉默，即第4组，发现由orexin和D2细胞信号两者贡献的差异与单纯orexin信号贡献的差异没多少区别，表明orexin信号驱动的风险规避被伏隔核D2细胞沉默而消除了；伏隔核D2细胞兴奋导致的风险规避，如左图第1组与第2组体现的差异，通过orexin受体阻断，即第4组，发现差异信号相比单纯由D2细胞兴奋导致的差异而明显降低，表明伏隔核D2细胞需要orexin信号来调节行为。

总体而言，这些研究证实了外侧下丘脑食欲肽神经元直接投射于表达D2的MSNs，间接投射于D1神经元——先投射至神经肽Y神经元再投射至D1神经元，兴奋D2表达的MSNs同时，也会通过伏隔核中的神经肽Y中间神经元，从而强烈地抑制MSNs；随后D2通过间接通路抑制冒险行为。由此，也渐渐明白，当动物面对复杂多变的情境时，一方面有动机去主动探索获取奖赏，但同时也要对潜在的风险保持警惕，对这一过程中动物大脑中发生了什么，我们也开始有了更多的了解。

[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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