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Science:揭示驱动和控制好奇心的脑回路

  1. 好奇心
  2. 脑回路
  3. 浅度调查
  4. 深度调查
  5. 未定区
  6. 前边缘皮层
  7. 轴突
  8. 抑制性神经元

来源:本站原创 2021-05-16 16:19

2021年5月16日讯/生物谷BIOON/---动机驱动(motivational drive)是一种内部状态,即使在与外部刺激的相似互动中也会有所不同。作为寻求新奇事物和调查周围环境的动机驱动,好奇心对于生存来说,与饥饿一样是必不可少的和内在的。好奇心、饥饿和食欲攻击驱动着三种不同的目标导向行为---寻求新奇、吃食物和狩猎---但这些行为在动物中是由类似的

2021年5月16日讯/生物谷BIOON/---动机驱动(motivational drive)是一种内部状态,即使在与外部刺激的相似互动中也会有所不同。作为寻求新奇事物和调查周围环境的动机驱动,好奇心对于生存来说,与饥饿一样是必不可少的和内在的。好奇心、饥饿和食欲攻击驱动着三种不同的目标导向行为---寻求新奇、吃食物和狩猎---但这些行为在动物中是由类似的行动组成的。这种行为的相似性使得研究新奇寻求并将它与无关节动物(nonarticulating animal)的进食和狩猎区分开来成为一项挑战。这种基本的生存动力、好奇心和新奇寻求行为背后的大脑机制仍不清楚。

尽管有发达的技术来研究小鼠的大脑回路,但在动机行为领域仍有许多有争议的不同结果。这使得诸如未定区(zona incerta, ZI)之类的动机性脑区的功能仍然不确定。没有透明的、非强化的、易于复制的范式是造成这种不确定性的主要原因之一。

为此,在一项新的研究中,来自荷兰神经科学研究所的研究人员选择了一个简单的解决方案来开展研究:让小鼠自由选择它想要的东西--双向自由获取选择(free-access double-choice, FADC)。通过使用光遗传学、化学遗传学、钙纤维光度计、多通道记录电生理学和多色mRNA原位杂交对小鼠进行一系列物体FADC和社会互动测试的实验,这些作者发现了一种针对好奇心和新奇寻求行为的细胞类型特异性的皮层-皮层下脑回路(cell type–specific cortico-subcortical brain circuit)的好奇心和寻求新奇的行为。相关研究结果发表在2021年5月14日的Science期刊上,论文标题为“A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior”。


这些作者分析了物体FADC和社会互动测试中动作序列的转换。频率和隐性马尔可夫模型分析表明,相比于与熟悉的物体互动或与同种动物互动的后期相比,小鼠在与新的物体互动中以及与新的同种动物互动的早期,选择不同的动作序列,他们将其分别归为浅度调查(shallow investigation)和深度调查(deep investigation)。这一发现帮助他们定义了一个衡量调查深度的标准,表明小鼠对深度调查的偏爱程度,并反映了小鼠调查的动机水平,而不考虑调查的总时间。

光遗传激活内侧ZI(medial ZI, ZIm)中的抑制性神经元,即ZImGAD2神经元,显示出相比于熟悉的物体、蟋蟀和食物,积极的唤醒水平、调查深度以及与同种动物和新物体的互动时间都有显著的增加。通过光遗传学或化学遗传学让这些神经元失活降低了调查的深度和持续时间。此外,他们发现ZImGAD2神经元在深度调查期间比在浅度调查期间更活跃。

这些作者发现,激活进入ZIm的前边缘皮层(prelimbic cortex, PL)轴突会增加唤醒水平,而这些轴突的化学遗传学失活会减少调查的持续时间和深度。这些轴突的钙纤维光度计显示,浅度调查和深度调查之间的活动没有差异,这表明是一种非特异性的动机。

光遗传学激活进入侧中脑导水管周围灰质(lateral periaqueductal gray, lPAG)的ZImGAD2轴突增加了唤醒水平,而这些轴突的化学遗传学失活减少了调查的持续时间和深度。这些轴突的钙纤维光度计显示在深度调查时有高的活动,而在浅度调查时没有明显的活动,这表明有一个阈值机制。


驱动和控制好奇心的大脑机制,图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe9681。

最后,这些作者在ZIm中发现了一个新的表达速激肽1 (tachykinin 1, TAC1)的抑制性神经元亚群,该亚群单突触地接受PL输入并投射到lPAG。这些神经元的光遗传学激活和失活分别增加和减少了调查的深度和持续时间。

综上所述,这些实验揭示了基于新奇寻求的动机水平的不同行动序列。此外,这些作者发现了一个新的大脑回路,该回路涉及好奇心和新奇寻求行为,并通过ZIm的TAC1+抑制性神经元将PL的兴奋性神经元连接到lPAG。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Mehran Ahmadlou et al. A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe9681.

Zahra Z. Farahbakhsh et al. Neurobiology of novelty seeking. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi7270.

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