揭示调控雄性小鼠性行为的神经环路与分子机制

撰文 | 言笑

男性可以通过药物促进多巴胺释放进而增强交配欲望。类似地，在雄性大鼠中，将多巴胺激动剂或拮抗剂注入下丘脑内侧视前区（medial preoptic area, MPOA）可以快速改变交配欲望【1-2】。在果蝇中的研究进一步证明了多巴胺在交配驱动中具有非常重要的作用【3】。然而，近四十年以来，哺乳动物大脑中相应多巴胺神经元的功能，它们在交配行为中的活动模式，以及它们在驱动下游交配相关回路变化中的作用，一直处于未知状态。

2021年8月25日，来自美国哈佛医学院的Mark L. Andermann团队在Nature杂志在线发表了题为Hypothalamic dopamine neurons motivate mating through persistent cAMP signalling的研究论文，揭示了调控雄性小鼠性行为的神经环路和分子机制。研究表明，雄性小鼠的交配驱动（mating drive）和交配后的满足感（satiety）均受到下丘脑区域中特化的前腹侧和视前脑室周围（anteroventral and preoptic periventricular, AVPV/PVpo）中的多巴胺神经元控制。多巴胺在内侧视前区（medial preoptic area, MPOA）的释放和累积可以增加环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）水平和蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）活性，进而调控雄鼠性行为。

首先，研究人员对雄性小鼠的交配过程进行了记录和分析。将发情雌鼠放入雄鼠笼中，雄鼠立刻上前嗅雌鼠（Sniffing female）；几分钟后，雄鼠骑到雌鼠背上开始进行交配（mating）；当交配过程完成后，雄鼠恢复非交配行为（图1a），并在一定时间内对新的雌鼠失去交配兴趣（图1b）。然后，作者对交配过程进行了量化：appetitive mating behaviors——交配开始前5分钟内雄鼠嗅雌鼠的时间百分比；consummatory mating behaviors——雌性进入后15分钟内开始交配的雄性的比例。通过appetitive mating behaviors分析发现，禁欲小鼠（单独饲养2周）在交配前会花费75%左右的时间嗅雌鼠，第一次交配完成后，这一参数降低至10%，与雌性隔离5天左右，这一参数得以恢复；同样地，consummatory mating behaviors分析显示，90%禁欲雄鼠会在15分钟内开始交配行为，几乎所有的雄鼠在第一次交配完成后对雌鼠失去交配兴趣（15分钟内不会进行交配），与雌性隔离7天左右，雄鼠交配兴趣得以恢复。相反，无论交配完成与否，都不会影响雄鼠开始探索雌鼠的潜伏期（Sniffing latency）。通过进一步探究，作者发现雄鼠的交配欲望可调控：首先将雄鼠与雌鼠配对15分钟，期间不允许雄鼠完成交配（不完成生殖液输入行为），随后取出雌鼠，10-30分钟之后放入第二只雌鼠，雄鼠依旧会花费更多的时间嗅雌鼠，但交配潜伏期明显变短（更快地进行交配），说明对雌鼠重复的探索可以增强雄鼠的交配欲望。

图1. 交配行为示意图（a）和引入雌鼠后雄鼠的行为时间表（b）

已有研究表明，在MPOA中注入多巴胺受体激动剂可以增强雄鼠交配行为【1】，那么在自然交配的过程中，MPOA中多巴胺的释放或水平是如何变化的？通过纤维光度法（fibre photometry）记录多巴胺感受器aLight1.1的荧光信号（图2a），研究人员发现当雄鼠开始接近雌鼠时，MPOA中的多巴胺释放量增加，当雄鼠开始嗅雌鼠时，多巴胺释放量又回到接近前的水平（图2b）。而交配欲望得以满足的雄鼠（交配完成24小时内）则不会出现多巴胺水平的波动。这些结果表明，功能性的多巴胺信号输入MPOA可以促进交配行为，该信号在交配欲望满足后会受到抑制。

图2. 多巴胺传感器dLight1.1的荧光信号检测

MPOA中多巴胺从哪里来？作者推测，交配欲望满足后，相关的多巴胺神经元的兴奋性会降低。通过检测神经元活性标志物Fos的表达情况，发现交配欲望得以满足后雄鼠的AVPV和PVpo多巴胺神经元中Fos的表达水平明显降低，提示AVPV/PVpo多巴胺神经元的活性可以反映雄性小鼠的交配史。那么刺激AVPV/PVpo多巴胺神经元是否可以恢复雄鼠的交配欲望呢？通过光遗传技术，研究人员发现，当刺激AVPV/PVpo多巴胺神经元时，刚交配完成的雄鼠依旧会对雌鼠表现出明显的交配兴趣，说明AVPV/PVpo多巴胺神经元激发了雄鼠的交配欲望。AVPV/PVpo多巴胺神经元主要投射到MPOA，研究人员发现，给予MPOA中多巴胺神经元轴突30s预刺激，足以为雄性的交配行为做好准备。

最后，研究人员对介导AVPV/PVpo多巴胺神经元调控雄鼠性行为的分子机制进行了探索。多巴胺通过D1-或D2-型受体向下游神经元发送信号，进而改变cAMP的产生和PKA的活性【4】。为了检测cAMP水平的持续性，作者使用了荧光感受器cADDis。通过记录光刺激AVPV/PVpo多巴胺神经元轴突后MPOA中cADDis荧光信号的变化情况，作者发现诱发的多巴胺释放通过D1-型多巴胺受体触发cAMP的产生。更重要的是，每次刺激结束时残留的cAMP会逐渐积累并持续数分钟。除了光刺激外，雄鼠在与雌鼠交流过程中触发的多巴胺释放也会引起MPOA中cAMP水平和PKA活性的持续增加；交配欲望满足之后，AVPV/PVpo多巴胺神经元中多巴胺释放受到抑制，PKA活性大幅度降低。进一步探究发现，AVPV/PVpo多巴胺神经元通过激活D1/D5受体进而驱动MPOA ESR1神经元中的cAMP信号传导。通过在MPOA神经元中表达PDE4D3-Cat（一种降解cAMP的磷酸二酯酶）消除cAMP的持久性，可以阻断通过与雌性交流所诱发的交配冲动，并显著降低雄性发生交配行为的概率，说明cAMP在MPOA ESR1神经元中的持续存在是触发交配欲望的基础。

在这项研究中，研究人员确定了投射至MPOA的AVPV/PVp多巴胺神经元是雄性小鼠交配驱动的关键调节因子。位于大脑不同区域的神经元，表现出不同的 cAMP 清除动力学，进而呈现出持续性或偶发性的神经调节模式。该研究有助于解释不同的药物是如何影响男性性欲的：增强或抑制多巴胺信号传导的药物分别具有性欲亢进或性欲减退的副作用，可能都是作用于MPOA。与多巴胺无关的药物（例如选择性血清素再摄取抑制剂）也会降低性欲，这很可能是因为选择性血清素再摄取抑制剂的使用会导致血清素水平升高，随后激活MPOA中的 Gi-偶联血清素受体，进而阻止cAMP的累积和交配驱动。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03845-0

参考文献

[1] Hull, E. M. et al.Brain Res.370, 73–81 (1986).

[2] McHenry, J. A., et al. D. Behav.Neurosci.126, 523–529 (2012).

[3] Zhang, S. X., et al.Neuron91, 168–181 (2016)

[4] Beaulieu, J.-M., et al.Pharmacol. Rev.63, 182–217 (2011).