Cell | 让父爱爆棚的神秘力量

导读

提到父爱，我们脑海里总会浮想出‘父爱如山’，有棱有角，含蓄又威严，爱得深沉又爱得伟大；

也有人说‘父爱如山体滑坡’，随性又猛烈，爱得如山崩地裂或又毁天灭地般沉重。

不同于母爱如水般的细腻柔和与无微不至，大部分情况下父爱没有体贴华丽的言语，没有无处无形的唠叨，也没有如春天甘霖般的温柔，母爱的伟大，往往让我们忽视了父爱的存在。事实上，父爱潜移默化地，以其特有的隐形的沉默的力量影响着我们。

1、背景介绍

无论是如水般的母爱还是如山般的父爱，这种父母行为普遍存在于整个动物界，从进化角度看对于物种生存至关重要，而编码这种父母行为的神经环路从较低级的昆虫到哺乳动物、灵长类和人类反复进化，每个物种都产生了适用于自身的父系行为或母系行为。

事实上父爱与母爱的差异可能与调控父母行为的生理机制的不同有关，如母亲的行为更容易受到荷尔蒙的影响。将哺乳期雌鼠的血浆输入到未成年雄性小鼠可诱导其产生母系行为，这主要是因为雌激素、孕酮和催乳素等激素水平在孕期、产后和幼崽的养育过程中保持高水平状态。其中对母爱行为影响最深刻也最具有特异性的当属催乳素（Prolactin, Prl），主要由下丘脑背内侧弓形核的结节多巴胺能神经元（Tuberoinfundibular dopamine,TIDA）分泌，其主要作用是促进乳腺生长发育并维持泌乳作用。但催乳素并不是女性专属，男性也会分泌用以促进前列腺及精囊腺的生长。催乳素在大多数生理条件下的雄性或非孕期雌性中发挥较强的抑制作用。这种多巴胺介导的对催乳素释放的抑制作用主要是通过激活产生催乳素的乳营养细胞上的D2多巴胺受体来实现的，当孕期引起的乳营养细胞的塑性变化引起多巴胺能的抑制作用减弱进而导致孕期和产后血液中催乳素的激增。

父性行为对后代照顾的相对贡献在不同的物种之间，甚至在相同物种不同动物之间也明显不同，目前对阻织和控制父系行为的机制仍然知之甚少。尽管越来越多的研究证实母性行为的神经与激素调控机制，但父性行为对后代或子女照顾的神经机制仍不清楚。2020年08月20日，瑞典卡罗林斯卡研究所Christian Broberger团队在顶级刊物Cell杂志在线发表题为‘ANeuro-hormonal Circuit for Paternal Behavior Controlled by a HypothalamicNetwork Oscillation’的学术成果。该研究以Sprague-Dawley大鼠和C57BL/6J小鼠这两种截然不同的父系行为动物为模型，证明了下丘脑亚区的多巴胺能神经元不同的网络振荡模式与低多巴胺释放控制催乳素的分泌，进而调控父爱行为，揭示了催乳素在父爱表现中的关键作用。

2、实验结果

2.1 TIDA神经元活性与多巴胺释放和血清催乳素水平有关

2.1.1雄性大鼠和小鼠TIDA神经元具有不同的振荡频率偏好性

近期的一些研究表明雄性大鼠或小鼠抑制催乳素的TIDA神经元的节律性电活动有显著的物种差异。作者也发现了类似的现象，由于大鼠是母系单亲物种，而小鼠为双亲物种，雄性大鼠TIDA神经元以较强的缓慢振荡放电，通常为0.17 Hz （图1A, C, E）；而雄性小鼠TIDA神经元表现出更快的振荡放电，通常为0.45 Hz（图1B, D, E）。值得注意的是，雄性大鼠TIDA神经元在细胞水平、脑片水平和动物水平之间表现出同步化的振荡频率，而雄性小鼠TIDA神经元在不同水平之间的表现不协调，且以较快频率为主导（图1F-H）。

图1 雄性大鼠和小鼠TIDA神经元具有不同的振荡频率偏好性

2.1.2 TIDA神经元的节律活动与多巴胺释放密切相关

那雄性大鼠和小鼠TIDA神经元振荡节律的不同是否反映在神经元的输出强度上呢？作者借助光遗传学方法给予TIDA神经元一定频率的电刺激，并通过快速扫描循环伏安法记录了正中隆起处多巴胺浓度（图2A）。刺激频率范围为0.1-0.8Hz的光遗传学电刺激作用与DAT-Cre转基因小鼠后，诱发正中隆起出多巴胺释放表现出剂量依赖性特点，即0.2Hz和0.4Hz的刺激引起不同程度的多巴胺释放（图2B）。当给与0.2 Hz光遗传学电刺激时，正中隆起出的多巴胺信号迅速达到顶峰并保持高水平直至刺激终止（图2C, D）；而给与0.4 Hz刺激时，多巴胺水平也有相似的动力学升高但迅速从峰值衰减（图2E, F）。不同刺激频率方案的结果表明，倒U型频率-反应关系的峰值就在0.2 Hz附近（图2G, H）。这些结果表明，多巴胺与催乳素之间的逆相关关系，增加了雄性大鼠和小鼠血清催乳素浓度不同的可能。

图2 较慢的TIDA神经元节律活动维持多巴胺的释放而更快的节律活动会导致TIDA终端处多巴胺的消耗

2.1.3单亲型雄性大鼠与双亲性雄性小鼠血清中催乳素水平差异显著

接下来作者收集了雄性大鼠和小鼠尾巴处的血样，借助酶联免疫吸附测定ELISA定量计算血清中催乳素的水平；同时由于采样程序带来的急性应激反应也测定了血清中皮质酮水平（图3A, B, E），结果表明少部分血清样本中因皮质酮水平升高而排除在进一步的催乳素测定与分析之外。使用标准化ELASI方案计算血清中皮质酮和催乳素的标准曲线来估算它们的绝对水平（图3A, C），结果表明雄性小鼠血清催乳素的水平比无性经验雄性大鼠和雄性大鼠高4-5倍（图3D, E）。

图3 雄性大鼠和小鼠血清中催乳素水平的差异

2.2 雄性大鼠与雄性小鼠内侧视前区催乳素受体的激活水平差异明显

既然雄性大鼠和小鼠血清催乳素水平存在明显差异，那这种差异是否会反应在大脑催乳素相关神经环路中呢？作者选择内侧视前区（medial preoptic area, MPOA）作为研究对象，该脑区在父母行为的调节中发挥重要作用，因此MPOA区域催乳素受体的激活对于母系行为的表达和后代的生存是必需的（图4A）。信号转导子和转录激活子（STAT5）的磷酸化是催乳素受体激活的关键下游步骤，能可靠编码催乳素信号转导的信息。在无性经验大鼠的MPOA区域仅观察到偶发的pSTAT5免疫反应性细胞（图4B, D, E）；而在新生雄性小鼠MPOA区域则表现出非常强烈的免疫反应（图4C-E），这表明在MPOA是鼠类动物呈现父母活动有关的关键核团。

图4A-E 雄性大鼠和小鼠内侧视前区催乳素受体的激活水平不同

2.3 催乳素特异性激活内侧视前区的神经肽甘丙肽神经元

之前研究表明，表达神经肽甘丙肽（neuropeptidegalanin, Gal+）的MPOA神经元的激活可以驱动父母行为，因此作者接下来想验证是否MPOA神经元能否被催乳素直接激活。作者运用全细胞膜片钳技术记录Gal-tdTomato无性经验成年小鼠MPOA区域的Gal神经元，结果表明催乳素直接引起13个Gal神经元中的11个发生可逆去极化并诱发动作电位（图4F, G）。在存在催乳素的情况下，Gal神经元的内在兴奋性显著增加，且随着去极化激发频率的增加而增加（图4H-I）。同时，突触前膜的自发兴奋性输入增加而自发抑制性输入减少，这与MPOA Gal神经元的整体刺激相吻合（图4J, K）。通过电压钳的斜率变化和药理学实验操纵Gal神经元电流变化表明，钾离子通道介导了催乳素的突触后去极化作用（图4L, M）。

图4 F-M 催乳素直接激活内侧视前区的Gal+神经元

2.4 非父系大鼠和父系小鼠

作者前面的研究已经表明单亲系大鼠种和双亲系小鼠种在催乳素介导的父母行为中表现出明显差异，那是否他们在照料后代的行为上是否存在显著差异呢？作者设计了幼崽回笼测试，该测试由一个正方形的广场组成，其中一半包含碎屑的用于休息的材料，另一半是6个幼崽（图5A, B），然后在一小时时间内对参与实验的有经验的父系或母系大鼠或小鼠进行父母行为评分。在大多数测试中，两个物种的母鼠在幼崽取回的持续时间、靠近幼崽的时间、蹲伏或筑巢的时间等指标上都非常接近，但哺乳期大鼠花费更多时间喂食幼崽（图5C-H）。

上述所有实验结果证明，雄性动物TIDA神经元活性决定了血清催乳素水平并随之激活设计父母行为的关键脑区及神经元，如MPOA。

图5 单亲系大鼠与双亲系小鼠的行为比较

2.5 催乳素激发了非父系动物的父爱行为

那么，人为增加血液中催乳素的水平是否能激发非亲生雄性大鼠触发父爱行为呢？作者通过腹腔注射一定剂量的催产素或生理盐水，30分钟后收集鼠系动物尾巴处的血清来确定血清催乳素水平并收集动物脑组织测定MPOA区域pSTAT5免疫荧光强度（图6A）。腹腔注射催乳素后显著提升了非亲生雄性大鼠血清中催乳素的水平达到正常孕期大鼠的水平，并增强了MPOA区域神经元的pSTAT5的免疫荧光水平（图6B-D）。为了激发更多的内源性催乳素的分泌，作者向无性经验大鼠腹腔注射多巴胺D2受体拮抗剂，如抗精神病药物氟哌啶醇或诱发高速酸血症的埃替普利，显著提升了血清催乳素水平和MPOA神经元免疫荧光水平。

接下来作者继续进行幼崽回笼测试实验来探究催乳素对父爱行为的影响，结果表明，类似于基础水平的行为表现（图5），腹腔注射催乳素的无性经验大鼠表现出高于基础水平的更多的父爱行为，如蹲伏、接近幼崽的时间、幼崽喂食及张口等行为（图6E-L）。这些结果表明，催乳素在父爱行为中作为准许增益控制信号，激发非父系物种的父爱行为。

图6A-L提升催乳素水平增加非父系动物的父爱行为

2.6 光遗传学抑制催乳素受体的活动减少了父爱行为

即使已经证明增加催乳素水平可增加父爱行为，但降低催乳素水平是否可以降低已生育雄性小鼠的父爱行为呢？作者通过光遗传学方法人为抑制催乳素受体的活动水平，显著降低了已生育雄性小鼠MPOA区域的pSTAT5免疫荧光水平（图6M-O），同时父爱行为的多个评估指标均受到重大损害（图6P-W）。这些结果表明，催乳素反应性的MPOA神经元对父爱行为至关重要。

图6M-W 降低催乳素水平减少了父爱行为

2.7 下丘脑节律性神经活动与父爱行为的光遗传学调控

为了验证TIDA神经元节律性活动是否决定血清催乳素水平及相关的父爱行为，作者以光遗传学方法重复了成年雄性小鼠在幼崽回笼测试期间TIDA神经元的振荡频率。在重复的幼崽回笼测试中，通过光遗传学方法施加不同频率的电刺激，并同时记录父爱行为及实验结束后采集血清催乳素。由于TIDA神经元本身自发性活动，我们光遗传学抑制方法诱发神经元的周期性超极化，引起TIDA振荡频率的高保真控制（图7A-E）。施加缓慢的0.2 Hz的刺激引起血清催乳素水平的显著降低，损害了父爱行为，如幼崽回笼时间、第一只幼崽回笼的潜伏期和筑穴质量；当施加较快的0.4 Hz的刺激时并未引起血清催乳素水平的改变，而且已生育雄性小鼠的父爱行为与基线水平无异；类似地，给予0.1 Hz和0.8 Hz的光遗传刺激也没有引起父爱行为的改变（图7F-J）。这些结果表明TIDA神经元振荡频率直接调节催乳素的释放，进而调节父爱行为。

图7 TIDA神经元的振荡频率调制血清催乳素水平和父爱行为

3、结论

作者使用单亲系大鼠和双亲系小鼠两个不同的动物模型，借助于光遗传学技术、全细胞电生理记录、行为学、分子生物学等技术手段证明以下主要结论：

3.1 物种特异性的下丘脑多巴胺能神经元节律活动与催乳素的释放密切相关

3.2 血清催乳素为雄性动物照看幼崽等父爱行为中提供‘母系’神经环路支持

3.3 光遗传学调制TIDA神经元的振荡频率调节催乳素水平和父爱行为

3.4 内侧视前区MPOA区域的催产素受体对父爱行为至关重要

4、参考文献

Stagkourakis, S., et al., ANeuro-hormonal Circuit for Paternal Behavior Controlled by a HypothalamicNetwork Oscillation. Cell, 2020. 182(4):p. 960-975 e15.

DOI: 10.1016/j.cell.2020.07.007