Sci Adv丨喝酒误事？科学家揭示行为灵活性的神经机制

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2. 饮酒误事身，谨慎万年贵。

   —— 陆游

行为灵活性是指有机体适应环境变化或线索的能力，这对于物种的生存至关重要。基底神经节（basal ganglia）在这一过程中起着核心作用，它与前额叶皮层一起协调选择和执行基于预期结果的适当反应。纹状体作为基底神经节的一部分，主要接收来自大脑皮层的认知输入和来自丘脑的感觉信息，是自愿行动启动、执行和调节的整合器。有研究指出，乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh）在背内侧纹状体（dorsomedial striatum, DMS）中与行为灵活性有关，特别是后DMS（posterior DMS）中的胆碱能中间神经元（cholinergic interneurons, CINs）在这一过程中起关键作用。长期饮酒会通过抑制丘脑-纹状体对CINs的兴奋作用来损害行为灵活性，但CINs具体调节机制尚不清楚。CINs仅占纹状体细胞总数的1-2%，但其广泛终端场遍布整个纹状体，提供主要的ACh来源，并调节其他纹状体神经元的输出。早起研究将CINs与“持续活跃神经元”（tonically active neurons, TANs）对应，认为它们在运动过程中保持一致放电，行为状态调节作用较小；但后续研究发现，CINs对奖励线索有反应，表现为短暂爆发放电后的“暂停反应”。这些动态反应与多巴胺神经元活动的相位变化一致，表明ACh和多巴胺系统在纹状体内的奖励处理过程中相互作用。

丘脑输入的激活可以诱导CINs的爆发-暂停放电模式，特别是旁束核（parafascicular nucleus, PfN）提供的兴奋性输入。研究发现，丘脑电刺激可以诱导CINs放电的暂停，且丘脑输入对于TANs的暂停反应是必要的。通过γ-氨基丁酸A型受体激动剂（muscimol）局部抑制丘脑活动会减弱这些暂停反应。这些暂停提供了皮质-纹状体突触可塑性发生的时间窗口，且CINs放电的暂停对于诱导皮质-纹状体可塑性是必要的。

CINs动态反应的行为意义尚不明确，为了填补这一知识空白，德克萨斯农工大学（Texas A&M University）的Zhenbo Huang和Jun Wang团队使用消退学习和逆转学习任务等实验范式，发现CINs的爆发性放电加速了已获得行为的消退，且CINs放电的暂停对于更新目标导向学习至关重要，这项研究成果A normative framework dissociates need and motivation in hypothalamic neurons已发表在Science Advances上。

图源 Science Advances

先前的研究表明，长期饮酒和戒酒会导致丘脑-纹状体输入减少，并降低光遗传学刺激诱导的CINs暂停反应。 然而，是否长期饮酒直接改变了丘脑诱导的CINs爆发-暂停动态尚不明确。 研究人员假设，长期饮酒可能通过改变丘脑-纹状体传递来破坏CINs动态。 他们使用VGluT2-Cre;Ai32;ChAT-eGFP小鼠开展长期饮酒实验，发现CINs对丘脑刺激的爆发反应逐渐减少，暂停反应显著缩短，且这些结果通过全细胞电流钳记录得到进一步验证。 研究还发现，长期饮酒导致CINs的AMPA受体功能下降和自发放电增加，可能使CINs对丘脑输入的反应性降低。

研究人员进一步开展了逆转学习任务和消退学习任务实验。逆转学习任务要求实验动物在初始操作性条件反射后，抑制先前学到的行为关联，并学习新的行为关联。具体而言，实验动物首先学会按压一个杠杆获得特定奖励（如蔗糖），然后在逆转学习阶段，按压相同的杠杆会获得不同的奖励（如食物颗粒）。消退学习任务则要求实验动物逐渐停止先前学到的行为。研究发现，长期饮酒的小鼠在逆转学习任务中表现出行为灵活性受损，难以适应新的行为关联，表明酒精引起的CINs动态变化可能导致行为灵活性下降。

图1 过量饮酒会减少丘脑引发的DMS CINs中的爆发-暂停反应，并损害操作性条件反射的恢复

通过逆转学习和消退学习任务，研究人员发现这些行为灵活性任务会调节DMS中的ACh释放。为了探究长期饮酒如何影响CINs的爆发-暂停动态和行为灵活性，研究人员使用基因编码的绿色ACh传感器AAV-iAChSnFR，注入Long-Evans大鼠的DMS中，以直接测量这些任务期间的ACh信号。结果显示，在逆转学习和消退学习过程中，ACh信号表现出显著的“下降-反弹-下降”模式，尤其是在逆转学习的首次反应中，ACh反弹信号显著增强。定量分析表明，逆转学习显著增加了ACh反弹的幅度和持续时间；同样，消退学习也显著增强了DMS中的ACh反弹。这些发现表明，逆转和消退学习通过调节CINs的爆发-暂停动态，提升了DMS中的ACh水平，从而促进了行为灵活性。

图2 逆转和灭绝学习可以增强乙酰胆碱的释放

通过狂犬病毒追踪研究，研究人员发现CINs接收大量来自丘脑的输入，特别是来自旁束核（PfN）的投射。于是乎，提出假设丘脑是关键的兴奋性输入，促进CINs的爆发放电和ACh释放。为验证这一假设，研究人员将AAV-GCaMP6s注入Long-Evans大鼠的PfN，并通过光纤光度法记录丘脑活动。实验结果显示，消退学习显著增加了丘脑活动的峰值幅度，且激活丘脑输入诱导了DMS中CINs的“爆发-暂停放电”，并且在消退训练期间，ACh释放显著增加。然而，当通过选择性hM4Di配体抑制丘脑活动时，这种ACh释放的增加则显著减少。这些结果说明，丘脑输入在消退过程中为CINs提供了主要的兴奋驱动，促进了CINs的爆发放电和ACh释放。

图3 丘脑输入有助于在灭绝过程中增加乙酰胆碱的释放

为了探讨CINs爆发放电是否足以加速消退学习，研究人员通过将AAV-FLEX-Chrimson-tdT注入ChAT-Cre大鼠的DMS，并使用光刺激诱导CINs的爆发-暂停反应，研究发现光刺激组在消退训练中比对照组更快地减少了杠杆按压次数，表明CINs爆发放电加速了消退学习。进一步的实验通过化学遗传学方法抑制CINs活动，结果显示抑制CINs活动会减慢消退过程，增加杠杆按压次数。这些发现表明，CINs的爆发放电在促进行为灵活性和消退学习中起重要作用。

图4 增强的CIN爆发式发射加速了灭绝学习过程

在确认CINs爆发放电加速消退学习后，研究人员进一步探讨了CINs暂停在行为灵活性中的重要性，特别是在消退和逆转学习中。通过操作性条件反射实验，研究人员观察到ACh动态的明显“下降-反弹-下降”模式，推测ACh下降可能源于CINs的暂停放电。首先在体外通过光刺激诱导CINs的爆发-暂停放电，并发现5Hz光刺激有效中断CINs的暂停。随后在体内实验中，研究人员通过光遗传学方法在逆转学习期间中断CINs的暂停放电，结果显示中断CINs暂停显著影响了逆转学习，但对消退学习无明显影响，说明CINs的暂停放电对于逆转学习和行为灵活性至关重要。

图5 暂停CIN的发射对于更新目标导向学习至关重要

该研究揭示了纹状体胆碱能中间神经元（CINs）在行为灵活性中的关键作用。通过结合逆转学习任务和消退学习任务的行为学实验，以及相应的电生理和光遗传学研究，发现CINs的爆发放电通过增加乙酰胆碱（ACh）的释放，促进了消退学习；而CINs的暂停放电对于逆转学习至关重要，帮助个体适应新的行为关联。研究团队还提出，长期饮酒会破坏CINs的爆发-暂停动态，进而损害行为灵活性。这些研究成果不仅深化了我们对CINs在行为调节中的认识，还为应对相关神经精神疾病提供了潜在的治疗策略。这为理解和治疗行为障碍提供了新的视角，特别是在开发针对CINs功能的干预措施方面。

原文地址

https://doi.org/10.1126/sciadv.adn2446

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