神经环路应用（1）：光遗传学(Optogenetics)技术在神经环路中应用解析

原理

将光敏感通道蛋白（如ChR2用于激活，NpHR/eNpHR3.0用于抑制）的基因通过病毒载体特异性地表达在目标神经元中，然后用特定波长的光照射，实现对神经元活动的毫秒级精确控制。

应用方法

通过立体定位手术将携带光敏蛋白基因（如hChR2, eNpHR3.0）的病毒（如AAV）注射到目标脑区。可结合细胞类型特异性启动子（如CaMKIIa用于兴奋性神经元，GAD用于抑制性神经元）或Cre/loxP系统实现细胞类型特异性表达。

光纤植入：在病毒注射位点（胞体或投射末梢）附近植入光纤，用于传递光刺激。

光刺激

• 激活：使用蓝光（~473 nm）照射表达ChR2的神经元。

• 抑制：使用黄光（~589 nm）照射表达eNpHR3.0的神经元。

案例解析

Fig1 抑制dmPFC不同下游环路对优势等级的影响

行为实验

在动物执行特定行为任务（如学习、记忆、社交、运动）时进行光刺激，观察行为变化，从而推断该神经环路的功能。

为了探究不同dmPFC下游投射通路在调控社会优势等级中的功能作用，研究采用光遗传学方法对特定神经环路进行抑制。具体方法如下：首先，使用AAV病毒在小鼠背内侧前额叶皮层（dmPFC）双侧表达增强型抑制性视蛋白eNpHR3.0；随后，在dmPFC的六个主要下游脑区（包括MDT、dmCPu、NAc、DRN、PAG和aBLA）上方植入光纤以实现对各投射末梢的特异性光遗传抑制。待小鼠在钻管测试中的社交等级连续稳定至少4天后，选择其中一只进行实验。在该小鼠进入测试管与对手对峙前，立即给予特定波长的黄光照射（如593 nm）以抑制目标通路的神经活动。通过记录光抑制前后小鼠在钻管测试中的胜负结果、退缩次数及等级变化，评估各神经通路对社会优势行为的影响。

病毒注射与光纤植入手术：

使用立体定位仪将携带AAV病毒（表达增强型抑制性视蛋白eNpHR3.0，如AAV5-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP）的溶液双侧注射至C57BL/6小鼠的dmPFC。

同时，在目标下游脑区包括丘脑内侧背核（MDT）、背侧内侧尾状壳核（dmCPu）、伏隔核（NAc）、中缝背核（DRN）、中脑导水管周围灰质（PAG）以及前基底外侧杏仁核（aBLA）的投射末梢区域上方植入光纤，光纤尖端精确置于目标核团。

手术后给予小鼠至少3周恢复时间并确保eNpHR3.0在dmPFC神经元胞体中充分表达，且其轴突末梢在目标下游脑区稳定表达。

脑声常谈建立了多个《动物模型构建与行为评估》交流群，群内分享各种经典和前沿的行为范式，共同交流解决动物实验中遇到的棘手问题，避坑少走弯路！有需要的老师可以扫码添加微信进入讨论群！

社交等级建立：

将四只成年雄性小鼠共同饲养于同一笼内，建立稳定的社群结构。每日进行钻管测试（Tube Test），记录每对小鼠相遇时的胜负结果，计算个体优势指数（Dominance Index）。持续测试直至所有小鼠的优势等级连续4天保持不变，确认等级结构稳定。

该案例围绕dmPFC如何通过下游神经环路调控小鼠社交等级展开，核心思路如下：

作者首先通过全脑c-Fos映射，筛选社交竞争后胜利者与失败者小鼠中dmPFC下游脑区的差异表达，定位出与胜负相关的潜在脑区（如 DRN、PAG、aBLA 等）。

针对这些候选脑区，利用光遗传学技术特异性操控 dmPFC 与其连接的通路（激活或抑制），观察小鼠在钻管测试中的社交等级变化，明确各通路的功能（促进胜利或失败）。

结合逆行示踪和光纤记录法，探究不同功能通路的神经元在 dmPFC 中的解剖位置（分层分布）及活动动态，验证其与行为的关联。

进一步通过体内外电生理记录，揭示不同通路间的相互作用机制（如失败相关通路对胜利相关通路的抑制）

光遗传学实验结果：

（一）dmPFC 下游通路的抑制实验

• dmPFC-DRN 通路

抑制该通路后，小鼠撤退行为显著增加，社交等级降低。表明该通路功能为促进胜利，抑制后导致小鼠竞争能力下降。

• dmPFC-PAG 通路

抑制后，小鼠撤退行为显著增加，社交等级降低。表明该通路同样为胜利相关通路，抑制后削弱竞争优势。

• dmPFC-aBLA 通路

抑制后，小鼠撤退行为减少，社交等级升高。表明该通路功能为促进失败，抑制后增强竞争能力。

其他通路（dmPFC-MDT、dmPFC-dmCPu、dmPFC-NAc）抑制后对小鼠社交等级无显著影响。

（二）dmPFC下游通路的激活实验

• dmPFC-DRN 通路激活后，小鼠推动行为增加，社交等级显著升高。

• dmPFC-PAG 通路激活后，小鼠推动行为增加，社交等级显著升高。

• dmPFC-aBLA 通路激活后，小鼠撤退行为增加，社交等级显著降低。

（三）aBLA 自身的光遗传学操控

• 抑制 aBLA小鼠推动行为增加、撤退减少，社交等级升高。

• 激活 aBLA小鼠社交等级降低。表明 aBLA 直接参与社交等级调控，与 dmPFC-aBLA 通路功能一致。

（四）dmPFC 分层神经元的激活实验

• 激活 dmPFC 第5层神经元

• 小鼠社交等级升高，与胜利相关通路的功能一致。

• 激活 dmPFC 第 2/3 层神经元小鼠社交等级降低，与失败相关通路的功能一致。

• 验证了不同层神经元的功能分离（第 5 层促进胜利，第 2/3 层促进失败）。

核心结论：

光遗传学实验表明，dmPFC 通过解剖分离的下游通路调控社交等级：

• 胜利相关通路（dmPFC-DRN、dmPFC-PAG）：激活促进胜利，抑制导致失败；

• 失败相关通路（dmPFC-aBLA）：激活促进失败，抑制导致胜利；

两类通路的神经元分别位于 dmPFC 的第 5 层和第 2/3 层，且失败相关通路通过局部中间神经元抑制胜利相关通路，形成拮抗调节机制。

文献引用

Xin Q, Zheng D, Zhou T, Xu J, Ni Z, Hu H. Deconstructing the neural circuit underlying social hierarchy in mice. Neuron. 2025 Feb 5;113(3):444-459.e7. doi: 10.1016/j.neuron.2024.11.007. Epub 2024 Dec 10. PMID: 39662472.

脑声小店基于深度科研洞察，专注为动物实验提供"简器械·精实验"解决方案。我们突破高精设备局限，开发手工定制化仪器及配件，通过科研巧思将基础工具转化为创新实验方案。产品涵盖行为学装置、操作辅助工具等，使实验室在保持操作简效的同时，实现精细化数据采集，助力科研人员以创造性思维发掘简易仪器的潜在科研价值。