1. 首頁 > 健康養生 > >

NATURE重磅：揭示學習過程中去甲腎上腺素的時空動力學變化

健康知識養生常識

藍斑（LC）釋放的去甲腎上腺素是一種神經調節劑 ， 與覺醒、行動和感覺以及學習等多種功能有關 ， 然而LC（LC-NA）中表達去甲腎上腺素的神經元的激活是否以及如何促進特定行為尚不清楚 。
2022年6月1日 ， 麻省理工學院VincentBreton-Provencher團隊在NATURE發文：Spatiotemporaldynamicsofnoradrenalineduringlearnedbehaviour ， 該文章論述了去甲腎上腺素的時空動力學變化對特定行為產生的影響及其涉及到的機制 。
NATURE重磅：揭示學習過程中去甲腎上腺素的時空動力學變化
文章圖片
首先 ， 為了評估LC-NA的不同認知作用 ， 并研究其潛在活動 ， 課題組設計了一個go/no-go測試 ， 并對刺激和表現進行分級 。 訓練的老鼠聽到聲音提示后通過推動杠桿來響應“go” ， 并通過保持杠桿不動來響應“no-go” 。 正確的杠桿推動產生——命中（“hits”） ， 會有水獎勵 ， 而錯誤的杠桿推動產生——誤報（“falsealarms”） ， 產生吹氣懲罰（air-puff） 。 課題組使用Dbh-cre小鼠（LC-NA神經元中特異表達archaerhodopsin） ， 并通過光遺傳的方法在整個實驗過程中抑制了LC-NA活動 ， 結果顯示訓練鼠推動杠桿的傾向降低 ， 導致低音刺激時的s-go和s-nogo命中率和誤報率降低 。 換句話說 ， 在弱提示刺激時 ， LC-NA活動可以促進行為決策 。
NATURE重磅：揭示學習過程中去甲腎上腺素的時空動力學變化
文章圖片
圖1|LC-NA活性促進對弱刺激的行為反應
有文獻指出LC-NA激活可能發出意外刺激信號 ， 該信號與促進覺醒介導的行為轉變和學習有關 。 課題組研究了LC-NA活動在吹氣懲罰、水獎勵后對下一次試驗中杠桿推動情況的影響 。 結果表明 ， 懲罰組命中率、杠桿壓動次數以及d--prime增加 。 隨后 ， 課題組為了確定LC-NA活動是否在特定試驗結果期間發揮作用 ， 發現在懲罰組中 ， 光遺傳抑制LC-NA活動可消除下一次試驗中命中率的增加 ， 而這種效應可以只在強化學習階段對LC-NA活動抑制復現 。 這些結果表明LC-NA活動可以整合強化學習信號以提高后續行動準確性 ， 并且這種效應具有時相性 。
NATURE重磅：揭示學習過程中去甲腎上腺素的時空動力學變化
文章圖片
圖2|LC-NA活動促進序列反應偏差
為了進一步探究LC-NA活動如何影響行為決策和學習兩個功能 ， 課題組對LC-NA神經元使用鈣成像記錄 ， 結果顯示：第一個峰值出現在杠桿推動之前 ， 第二個峰值出現在強化學習過程（獎賞/懲罰）之后 ， 此外 ， 當只有聲音刺激而無強化過程時 ， 第一個峰消失 ， 這表明LC-NA活動不僅僅是由于聲音刺激 。 隨后 ， 課題組研究了LC-NA神經元峰活動與刺激強度之間的關系 ， 發現第一個峰與音調強度呈正相關 ， 而第二個峰與音調強度呈負相關 ， 暗示壓動杠桿前的LC-NA活動編碼行為決策（推杠桿） ， 而獎勵后的LC-NA活動編碼強化學習行為（獎賞/懲罰） 。
隨后 ， 課題組通過LC-NA神經元鈣成像記錄中檢測誤報和命中信號 ， 發現LC-NA神經元亞群表現出異質性 。 測量了不同試驗類型任務期間記錄的197對LC-NA神經元的信號相關性水平 ， 發現與LC-NA神經元中的命中信號相比 ， 誤報信號的相關性更高 ， 即獎賞信號可能被LC-NA部分神經元所編碼（模塊化） ， 而誤報反應則被所有的LC-NA神經元共同控制（全局化） 。 此外 ， 課題組通過對同一個神經元進行記錄 ， 發現在每一個環節中都沒有改變其特性 ， 此結果進一步驗證了上述LC-NA神經元模塊化編碼的結論 。
雖然已知皮質中的神經元活動與任務執行和反應偏向有關 ， 但產生這種活動的細胞機制尚不清楚 。 因此課題組采用逆行和順行示蹤研究LC相關的運動皮質(MC)和前額葉(PFC)兩個腦區 ， 通過比較投射到MC或dmPFC的LC-NA軸突的活動 ， 發現在壓動杠桿時 ， 靶向到MC的軸突活性顯著增強 。 多元線性回歸模型顯示：LC-NA:MC軸突中壓力的線性模型貢獻較大 ， 而LC-NA:dmPFC軸突中懲罰的貢獻較大 ， 即MC的投射主要編碼行為決策 ， 而PFC的投射主要編碼強化學習 。