Nat Commun：快乐是怎么被记住的？科学家揭示氯离子稳态动态调控奖赏学习机制

当我们学习“某个声音代表有奖励”（比如听到提示音就知道要得到糖）时，大脑并不是简单地靠“快乐物质”多巴胺完成的。实际上，抑制性神经元（像大脑的“刹车系统”）也在关键时刻悄悄调整自己。

基于此，2025年12月9日，美国乔治城大学药理学与生理学系Alexey Ostroumov研究团队在Nature communications杂志发表了“Dynamic changes in chloride homeostasis coordinate midbrain inhibitory network activity during reward learning”揭示了氯离子稳态的动态变化协调中脑抑制性网络在奖赏学习中的活动。

研究人员在大鼠中发现，在学习关键期，中脑负责抑制多巴胺神经元的GABA能神经元会发生一种特殊变化：一种叫KCC2的转运蛋白表达下降，导致这些神经元内部的氯离子平衡被打破。这一变化主要影响外侧中脑边缘多巴胺通路，并且只在学习过程中出现，巩固后就消失。这种KCC2下调使GABA神经元之间的活动更加同步，进而增强多巴胺神经元对奖赏及其相关线索的反应。相反，如果人为增强KCC2功能，GABA神经元同步性降低，多巴胺信号减弱，动物就难以学会将线索与奖赏联系起来。简言之，中脑GABA神经元通过短暂调整自身的离子稳态，协调放电节奏，从而“打开窗口”让多巴胺系统有效编码新奖赏信息，这一动态适应对学习至关重要。

图一 奖赏学习重塑VTA GABA神经元的氯稳态

研究人员在大鼠中探究奖赏学习是否改变了腹侧被盖区（VTA）GABA能神经元的氯离子平衡（即阴离子稳态）。他们利用一种钙敏感染料CaMPARI2在神经元活跃（钙升高）并接受紫外光照射时会从绿变红，结合光纤记录在经典条件反射训练中“标记”出参与线索-奖赏学习的GABA神经元。

只有在成功建立线索-奖赏关联（配对组）的大鼠中，处于学习习得期（行为快速提升阶段）的活跃GABA神经元才表现出GABA电流反转电位（EGABA）的去极化偏移，说明其内部氯离子浓度升高、抑制功能减弱；而基线期和学习稳定后的平台期则无此变化。未被激活的GABA神经元或非配对组（刺激无关联）中的神经元，EGABA始终保持超极化，表明仅刺激本身不足以引发改变，必须形成学习关联。

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进一步机制分析显示，这种氯稳态变化源于KCC2转运蛋白在丝氨酸940位点的去磷酸化，该修饰会降低其排出氯离子的能力。Western blot证实，习得期磷酸化KCC2水平显著下降，而总KCC2和另一氯转运体NKCC1的表达不变。值得注意的是，VTA多巴胺神经元在相同阶段并未出现EGABA变化，说明这一调控特异性发生于GABA能神经元。

综上，奖赏学习在关键窗口期通过下调KCC2活性，短暂削弱VTA GABA神经元的抑制功能，从而可能增强多巴胺信号，促进线索-奖赏关联的形成。这一过程具有细胞特异性、时间特异性和学习依赖性，揭示了离子稳态动态调节在学习中的重要作用。

图二 VTA GABA神经元及KCC2下调参与奖赏学习

研究发现，VTA GABA能神经元在奖赏学习的习得阶段起关键作用。通过光遗传技术在训练中抑制这些神经元，会显著延缓大鼠建立“线索-奖赏”关联的能力；即使在学习中途开始抑制，也会阻断关联的进一步形成。

这种作用与KCC2功能下调密切相关：在VTA局部注射KCC2激活剂（CLP290）会削弱学习，延长达到习得标准所需时间，且仅在习得期有效，不影响已巩固的行为；反之，特异性敲低GABA神经元中的KCC2则加速学习进程。

这些结果表明：在奖赏学习的关键窗口期，VTA GABA神经元通过暂时降低KCC2活性，改变氯离子稳态，从而调节自身抑制强度，为多巴胺系统有效编码新关联“打开通道”。这一动态调控对线索-奖赏学习的建立至关重要。

图三 VTA GABA神经元在学习习得期间表现出增强的协同活动

接下来，作者探究了VTA中KCC2下调如何促进学习的机制。

膜片钳和在体电生理记录发现，在奖赏学习的习得阶段，VTA中的GABA能神经元会表现出毫秒级（<10 ms）的同步放电且这种同步不仅出现在线索刺激期间，也存在于试次间隔等非刺激时段。相比之下，基线期和学习稳定后的平台期同步性明显较低。

进一步实验表明，这种同步活动受KCC2功能调控：

激活KCC2（注射CLP290）显著降低GABA神经元的同步放电；

抑制KCC2（注射VU0463271）则增强同步性。

这些操作不影响动物运动能力，说明同步变化是特异性由KCC2介导的。结果表明，在学习关键期，KCC2下调使GABA神经元氯稳态改变，导致它们更倾向于时间上精确同步放电，从而可能协调下游多巴胺神经元对奖赏线索的响应。这种毫秒级同步是学习过程中GABA环路动态调节的重要特征。

图四 VTA GABA神经元的光遗传同步化可增强刺激诱导的簇状放电

基于前期发现，作者提出：VTA中GABA神经元在学习期间的毫秒级同步活动（约10 Hz）可能增强多巴胺（DA）神经元的相位性簇状放电，这是编码奖赏预测误差的关键信号。

为验证这一点，研究人员在GAD-Cre大鼠VTA中表达光敏通道ChR2并以10 Hz频率光刺激GABA神经元，模拟学习时的同步放电。

在脑片实验中，当用谷氨酸诱发DA神经元产生簇状放电时，同步激活GABA神经元显著增加了每个放电簇中的动作电位数量，但未改变簇内放电频率。类似结果也在麻醉大鼠体内得到验证：当电刺激传递奖赏线索信息的脚桥被盖核（PPTg）诱发DA神经元放电簇时，同步激活GABA神经元同样增强了簇的强度（更多脉冲/簇），而簇内频率不变。

这些结果表明：VTA GABA神经元的节律性同步并不直接激发DA神经元，而是通过精细调控其网络状态，放大由奖赏相关输入驱动的相位性反应，从而可能提升奖赏信号的信噪比，助力学习。

总结

这项研究发现，大脑在正常学习时会短暂“调低”VTA中GABA神经元的抑制功能（通过下调KCC2）以帮助建立奖赏关联。而这一本该适时开启又关闭的机制，在成瘾、抑郁等疾病中被异常“卡住”，导致奖赏系统失调。因此，理解这一过程不仅揭示了学习的神经基础，也为治疗多种神经精神疾病提供了新靶点。未来或可通过精准调控KCC2，恢复大脑的正常可塑性，而不干扰健康功能。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66838-x

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