海馬和mPFC參與聯合運動學習的調節及其機制研究進展

陸 地,王 曉,姚 娟,吳廣延,李 軒,隋建峰,吳 冰(中國人民解放軍第4醫院精神衛生中心,重慶 40004;濟南軍區第89中心醫院神經外科;第三軍醫大學基礎醫學部基礎醫學教學實驗中心;共同第一作者；通訊作者,E-mail:aaa07@6.com)

中圖分類號： R338 文獻標志碼： A 文章編號： 1007-6611(2017)11-1198-04 DOI：10.13753/j.issn.1007-6611.2017.11.024

海馬和mPFC參與聯合運動學習的調節及其機制研究進展

陸 地1*,王 曉2#,姚 娟3,吳廣延3,李 軒3,隋建峰3,吳 冰3*(1中國人民解放軍第324醫院精神衛生中心,重慶 400041;2濟南軍區第89中心醫院神經外科;3第三軍醫大學基礎醫學部基礎醫學教學實驗中心;#共同第一作者；*通訊作者,E-mail:aaa3027@163.com)

中圖分類號： R338文獻標志碼： A文章編號： 1007-6611(2017)11-1198-04DOI：10.13753/j.issn.1007-6611.2017.11.024

聯合運動學習是個體為適應環境通過聯合學習而獲得的條件化運動行為。聯合學習需要兩個刺激事件以一定的時間關系重復發生,并最終導致刺激在腦內形成關聯[1-4]。聯合運動學習對于個體的自我防御、生存進化具有重要意義,但目前對其調節的回路機制知之甚少。由于神經回路的異常是許多神經及心理疾病重要的發病基礎,探討聯合運動學習及其調節的回路機制不僅有助于理解特定行為的腦機制,對于研究運動調節和運動障礙性疾病的病理生理機制也具有十分重要的意義。瞬目條件反射(eyeblink conditioning,EBC)作為一種簡單的聯合運動學習,其基本的中樞回路機制近年來已得到充分闡明,但目前其調節機制仍不明確,本綜述回顧了近年來在EBC調節相關領域的研究進展。

1 海馬和前額葉參與聯合運動學習的調節

與聯合學習的分類一致,聯合運動學習也可分為兩類基本形式：延遲型及痕跡型(見圖1)。在延遲型,兩個刺激事件在時間上有部分重疊從而導致兩者在腦內易于建立關聯;而在痕跡型,兩個刺激事件在時間上完全分離從而增加了兩者在腦內建立關聯的難度。長期以來,多個研究領域以簡單的聯合運動學習條件化瞬目行為為模型,在神經回路、細胞,甚至分子水平上進行了大量卓越的研究工作,深入探討了EBC聯合運動學習的神經回路機制及其調節,取得了許多重要進展[2,4-9]。已經明確的是,延遲型EBC聯合運動學習主要依賴于以小腦為中心的基本回路(介導回路),小腦平行纖維——蒲氏細胞突觸的LTD是聯合運動學習的細胞基礎[8-10]。而對于痕跡型EBC,除了依賴基本回路外尚依賴于由大量皮層或皮層下結構廣泛參與組成的調節回路,特別是海馬以及內側前額葉(medial prefrontal cortex,mPFC)參與其中[1,5,10-14]。

CS：條件刺激；US：非條件刺激圖1 兩類聯合運動學習的訓練模式

關于海馬和mPFC對聯合運動學習的調節作用,長期的基礎以及臨床研究采用包括藥理學失活或毀損[15,16]、細胞電活動記錄[1,17,18]、轉基因動物[19,20]、PET功能成像[21]、雙光子鈣成像[22]等方法做了大量工作,實驗結果強烈提示海馬和mPFC參與對于痕跡型EBC聯合運動學習的調節過程,且其作用具有一定的時間依賴性。本實驗室早前的行為藥理學研究工作發現,海馬和mPFC不僅對于痕跡型EBC,對于弱線索引導的延遲型EBC也是必需的[12,13]。

除了最受關注的海馬和mPFC參與對痕跡型EBC的調節外,其他許多小腦外的皮層和皮層下結構包括杏仁核、丘腦、感覺皮層甚至運動皮層等等似乎也參與了對痕跡型EBC的調節[23-28],如此簡單的EBC行為竟有如此廣泛的調節機制，反映了腦調節功能高度復雜的特點。遺憾的是,長期以來,該領域始終存在一個未能回答問題:雖然已經初步證實眾多相關腦區參與了對EBC聯合運動學習的調控,但是這些區域是如何發揮對EBC的調節作用的?特別是最為關鍵的EBC調節腦區海馬和mPFC通過何種通路和細胞機制實現其對痕跡型聯合運動學習的調節，目前了解甚少。

2 海馬和mPFC參與聯合運動學習調節的可能機制

過去大量的傳統研究包括失活與毀損、電活動記錄、成像研究等已確定相關腦區或結構是否參與對EBC的調控,但未能明確其調節機制特別是通路和細胞機制。因為傳統的干預策略無法解決細胞特異性干預、通路特異性干預等難題。近年來快速發展和成熟的具有高度時空特異性的光遺傳學技術能通過瞬時性沉默或激活特定類型的神經元或特定的投射通路,成功解決上述難題。近年來已有大量引領性工作[5,29,30]通過光遺傳學技術在相關領域的應用揭示出新的發現并對相關傳統結論作出了嚴謹的修正,有力推動了相關領域的研究進展。例如情景性恐懼的提取機制研究修正了海馬不參與遠期記憶的認識[29];嗅刺激引導的延遲樣本非匹配任務研究則區分了mPFC神經元在記憶保持與注意力控制過程中的不同作用[30],等等。

值得注意的是,依托該技術的應用,關于mPFC對于EBC聯合運動學習調節的通路機制研究近期取得重要進展。前期我們首先完成了光遺傳學興奮大鼠mPFC錐體神經元作為條件刺激能支持聯合型學習的研究,并發現mPFC錐體神經元在此過程中具有編碼特異性[11],隨后,在本實驗室剛剛發表的基于光遺傳學技術的工作中[5],我們發現mPFC通過其對腦橋核的神經投射特異性參與調節弱線索引導的延遲型EBC聯合運動學習。實驗中我們觀察到,通過光遺傳學手段抑制mPFC神經元或其投射到腦橋核的軸突末梢,能顯著影響弱條件刺激引導的延遲型EBC的建立以及其近期和遠期提取,而對強條件刺激引導建立的延遲型EBC無顯著的影響。mPFC-腦橋核調節通路的鑒定是EBC神經調節機制研究的重要突破。目前對于mPFC通過何種投射通路參與調節痕跡型EBC聯合運動學習尚無證據,但根據現有發現可以推測,mPFC-腦橋投射仍有可能是mPFC發揮調節作用的主要通路。但關于海馬通過何種回路機制調節EBC聯合運動學習目前缺乏基本的了解甚至缺乏理論推測。

腦橋核是條件刺激信息進入小腦的必經之路,也是最后一站[31]。已經確認,各種外源性條件刺激信息在上傳大腦的通路中,可從不同水平包括腦干、丘腦、大腦皮層等發出投射經腦橋核進入小腦,故腦橋核控制著來自中樞及外周進入小腦的大部分信息,可能是EBC聯合運動學習重要調節靶點。有足夠理由相信,雖然小腦包含必要和充分的神經可塑性機制足以支持簡單的聯合運動學習,但必須以具有足夠的條件刺激輸入(包括強度和時長)為前提,否則,需要依賴小腦外結構包括mPFC、海馬對其傳入進行調節。因此,海馬對于EBC的調控機制也應考慮其對于條件刺激傳入的調節。但問題是,海馬并沒有直接到腦橋核的投射纖維,但有到mPFC或是基底外側杏仁核等其他腦區的投射[32]。海馬能否通過其對mPFC的神經投射通路調節EBC聯合運動學習值得關注。

3 海馬-mPFC投射可能在EBC聯合運動學習調節過程中發揮作用

解剖學研究早已證明,嚙齒類和靈長類動物的海馬(主要是腹海馬)具有到mPFC的大量單突觸的同側投射[33,34];而mPFC到海馬的投射則有兩條途徑,一是經扣帶回、內嗅皮層到海馬的間接投射,已受到廣泛關注,二是mPFC到海馬(主要是背海馬)的直接投射[35,36]。有關研究最近確認了小鼠mPFC到背海馬的單突觸直接投射。該投射起源于前扣帶回而終止于海馬CA3區[37,38]。

研究顯示,海馬-mPFC回路參與了多種認知功能以及認知功能的發育[39],是實現工作記憶和抑制控制的關鍵[40];海馬-mPFC回路功能異常與多種神經、精神疾病的發生存在關聯。早期一項工作采用空間記憶模型研究發現mPFC可對海馬加工不連續事件的功能提供補充[41];最近的相關研究也表明,正常認知功能的實現依賴于海馬和PFC組成的雙向回路的完整[37]。來自人體研究的結果表明這兩個腦區的神經活動能隨任務需求的變化表現出動態的相關性[42,43]。靈長類動物的研究發現,工作記憶及陳述性記憶過程中海馬和mPFC活動存在相互關聯[44,45];而臨床研究注意到,精神分裂癥、創傷后應激障礙、抑郁癥等精神疾病的發病均與海馬-mPFC之間的連接受到破壞有關[46]。

有鑒于海馬-mPFC之間的直接投射及其功能聯系、mPFC在工作記憶和抑制控制中的作用、以及本室關于mPFC通過腦橋核投射調節延遲型EBC的機制的最新發現,似乎有理由做如下假設:①海馬可能通過海馬-mPFC投射實現對EBC聯合運動學習的調節;②海馬和mPFC可能通過相互作用共同完成對EBC聯合運動學習的調節。未來應采用具有瞬時干預、選擇性干預優勢的光遺傳學技術等,通過選擇性抑制腹海馬CA1區興奮性神經元及其向mPFC不同亞區投射的瞬時活動,探討海馬調節EBC聯合運動學習的通路機制;并通過選擇性抑制mPFC向背海馬的投射活動,探討mPFC對于海馬在調節EBC聯合運動學習中的協同作用。

另外,免疫細胞學研究表明[47],海馬到mPFC的纖維除了與mPFC錐體細胞形成單突觸連接外,還與GABA能中間神經元形成單突觸連接,這種連接方式參與mPFC錐體細胞的興奮狀態的調控。相關研究發現,在小鼠進行感覺引導的學習行為過程中,大腦皮層的抑制通路比興奮性通路更加活躍[48-50];在動物主動觸摸行為中,抑制性神經元的激活對松散編碼(sparse coding)具有重要的調節作用[48,51]。因此,抑制性神經元在海馬-mPFC通路調控聯合運動學習中的作用值得關注。最近,人們已經把大腦皮層抑制性神經元分為以下三種類型:Parvalbumin+(PV+),Somatostatin+(SOM+)和5-hydroxytryptamine receptor 3A+(5-HT3aR+)神經元,這三種類型的細胞占皮層全部的抑制性神經元的近100%[52]。采用PV-Cre,SOM-Cre和5-HT3aR-Cre的轉基因小鼠,結合在體光遺傳學干預技術探討mPFC不同亞區內特定的GABA能神經元亞群在EBC聯合運動學習調節中的作用值得嘗試。

4 展望

功能神經回路的異常是許多心理及神經疾病重要的發病基礎,但功能回路的研究受技術方法的限制早期止步不前,近年來因光遺傳學等新技術的成熟,相關領域的研究受到極大推動,但目前仍有大量的功能神經回路亟待澄清。明確聯合運動學習調節的回路機制不僅對于解構特定行為的腦機制、深入理解腦基本工作原理具有重要價值,對于探討相關心理及神經疾病的發病機制及治療研究也具有深遠的意義。

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陸地,男,1960-06生,學士,主任醫師,E-mail:LUDI12345678@126.com

2017-06-27