Nature子刊新发现为什么谱系娃对他人的社交互动不感兴趣？

　　本期解读嘉宾：袁老师
　　■     哈佛大学医学院脑科学博士后
　　■     哈佛大学附属BWH脑科学专家
　　■     小小神经元首席脑科学家
　　《自然神经科学》（Nature Neuroscience）为Nature聚焦于神经科学领域的著名子刊，出版该领域各个领域的最佳神经科学研究，旨在为读者提供权威、可访问和及时的信息，了解神经科学最重要的进展。该杂志为国际神经科学界提供了一个非常引人注目的论坛，该论坛涵盖的领域包括分子、细胞、系统、行为、认知和计算研究，包括新闻和观点、评论、观点和社论，有助于将主要研究置于背景之中，从而为读者提供整个领域的广阔视野。
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　　研究团队介绍
　　Weizhe Hong教授
　　美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Weizhe Hong教授课题组 主要采用多学科的方法来识别正常社会行为及其在神经精神障碍中的失调分子和神经回路机制。社会行为对动物的生存和繁殖是必不可少的。社会行为的控制在社会物种中尤其重要，比如人类。社会行为异常与一些神经精神障碍有关，如孤独症谱系障碍和精神分裂症。
　　Hong实验室的目标是理解社会行为是如何在分子和回路水平上被调节的，以及社会行为和社会经验是如何导致大脑中分子和回路水平的变化的。为此，他们采取多学科的方法，利用各种实验和计算技术，包括但不限于光遗传学/化学遗传学、体内/体外钙成像和电生理学、各种遗传和分子生物学技术的系统方法，如下一代测序和生物信息学、工程和计算方法、机器学习和计算机视觉。最终通过将基因、回路和行为联系起来，在分子、回路和行为层面研究这些问题。
　　加利福尼亚大学（University of California），简称加州大学，是位于美国加利福尼亚州的一个由10所公立大学组成的大学行政系统，是世界上最具影响力的公立大学系统，被誉为＂公立高等教育的典范＂。其中Weizhe Hong教授课题组所在的加州大学洛杉矶分校（UCLA）是加利福尼亚大学系统中的第二所大学，与加州大学伯克利分校（UC Berkeley）齐名，是美国最好的公立大学之一。它是南加州地区入学竞争最激烈的学校，也是整个加州最大的大学。UCLA在美国享有声望，于2006年被列为全美25所＂新常春藤＂名校之一。
　　研究内容及成果
　　为了更好地研究社会奖赏的神经机制，科学家们创建了一种自动化、闭环的系统来定量化地测量小鼠的社会奖赏的大小 ，小鼠可以通过戳鼻子（nose-poke）的方式来实现和另外一只小鼠（目标鼠）接触交流。
　　由于无论雄鼠还是雌鼠，都会对同类产生攻击或者求偶意向，因此目标鼠设置为未成年的小鼠。受试鼠可以通过鼻子自由地戳两个端口。受试鼠若戳社交端口，则会自动打开门3秒时长，允许受试鼠与目标鼠密切互动7秒，而若受试鼠戳空的端口则会导致10秒停时。
　　在实验开始时，科学家们首先测试了受试小鼠们的基础值，即检测受试小鼠对两个端口的随机倾向性，以作为后续研究统计分析的基础水平值。在实验开始7天后，绝大多数小鼠都展示出对社交端口的强烈接触水平，同时超过90%的社交端口打开后，都伴随着受试鼠和目标鼠的交流，这说明了受试鼠戳社交端口确实反映了其参与社会互动的动机，而不是想打开门的动机。
　　在本实验中，科学家们同时检测了雄性和雌性受试鼠，发现不管雄鼠还是雌鼠都有相同水平的实验评分。并且，在7天的测试训练过程中，受试小鼠不仅增加了在社交端口戳的数量，还表现出来＂预期行为＂，其特点是受试小鼠会在大门打开前等待，然后和目标鼠社会互动。这个现象的发生频率和持续时间随着训练时间的延长而增加，同时伴随着社会端口被打开次数显著增加。因此，这个反馈增加的现象，提示受试小鼠在该测试系统中展示出显著的社交奖赏行为现象。
　　图1
　　杏仁核 ，呈杏仁状，是大脑边缘系统的一部分。它是个体产生情绪、识别情绪和调节情绪、控制学习和记忆的脑部组织。 中部杏仁核 （medial amygdala，MeApd）在先前研究中，被认为参与控制急性社会行为决策，如侵略和养育子女行为。
　　然而，该区域是否和社交奖赏行为相关，目前没有研究报道。为此，科学家们通过在Vgat-Cre小鼠上表达Cre依赖的细胞死亡蛋白caspase-3（caspase-3是细胞死亡蛋白，在目标细胞内大量表达后，会导致细胞凋亡性死亡。），来对中部杏仁核的神经元进行特异性杀伤。
　　对这些小鼠进行上述系统的社交测试后，科学家们发现，Vgat+神经元被减少的小鼠没有展现社交奖赏行为现象，同时，这些小鼠的基础水平也比野生型小鼠低。因此，中部杏仁核的Vgat+神经元的存在是小鼠进行社交奖赏行为所必须依赖的。
　　图2
　　那么反过来，如果在小鼠中进一步激活中部杏仁核的Vgat+神经元是否会增强小鼠的社交奖赏行为现象呢？ 为此，科学家们在Vgat-Cre小鼠中表达Cre依赖的opsin ChR2蛋白，以进一步激活Vgat+神经元。通过实时位置偏好实验（real-time place preference，RTPP），科学家们发现，这些小鼠对有社交刺激的实验箱展示了一贯的积极偏好。同时，在颅内自刺激模型实验中(intracranial self-stimulation test)，也得到类似实验结果，小鼠展示出强烈奖赏效应。
　　此外作为阴性对照，科学家们还对小鼠中部杏仁核的另外一种神经元——Vglut2+神经元，进行了高表达刺激，并没有发现奖赏效应的产生。
　　这些结果表明，激活中部杏仁核的Vgat+神经元确实可以实现高度社交奖赏。这个发现并不意味着这些神经元没有参与到一般奖励，而更可能反映社交奖赏的加强足以绕开上游社会行为变化。
　　图3
　　社交奖赏的发生一般都伴随着神经元多巴胺的释放 ，为了检测神经元多巴胺的释放，科学家们构建了多巴胺敏感的DLight慢病毒，通过将该慢病毒定向感染到小鼠大脑奖赏回路的重要脑区——伏隔核脑区NAc ，可以实现在清醒小鼠中实时检测多巴胺释放水平。
　　在社交奖赏测试模型中，科学家们发现当目标鼠和受试鼠发生社会交流时，受试鼠的多巴胺水平会显著提升，且在首次实验训练时达到最高值，随后下降。当社交门打开后，小鼠多巴胺释放信号会显著及时提升。进一步地，科学家们通过该方法单独激活Vgat+神经元，也会促进小鼠多巴胺的释放。这些结果提示，多巴胺的释放和小鼠社交奖赏密切相关。
　　图4
　　由于中部杏仁核并不在经典奖赏神经回路的投射中，所以必然有未知机制尚未被发现。在大脑脑区结构上，中部视前区（MPOA）和伏隔核脑区（NAc）直接相接。因此，科学家们将目光放在MeApd-to-MPOA神经环路上。
　　为了测试这个可能性，科学家们利用光遗传学技术，注射了Cre依赖的表达——ChR2的腺病毒到小鼠MeApd脑区，同时将光学纤维植入到MPOA脑区来激活投射到MPOA的MeApd Vgat+神经元轴突末端。
　　实验结果如科学家们所预期的，激活这些神经元的轴突末端后，受试小鼠在RTPP实验和颅内自刺激实验中都展示出强烈的实验偏好。因此，这些实验数据提示，MeApd-to-MPOA神经环路是小鼠社会奖赏行为所必需的。
　　图5
　　积极的社会互动可以缓解负面社会体验，但其神经环路机制尚不清楚。能够调节社交奖赏的MeAdp神经环路为如何克服负面社会体验提供了一个可能性。 因此，在实验的最后，科学家们对此进行了测试。
　　一般而言，动物都会显示强烈的社会行为规避来远离负面值的区域。在一个旷场实验中（open field），小鼠与生俱来会停留在旷场周围，因为它们认为中心可能是有潜在危险的。而在ChR2表达中，激活MeApd神经元的小鼠则在旷场中心停留了更多的时间。同样地，在高架迷宫实验中（elevated plus maze），该小鼠也展示出了相似结果。
　　图6
　　未来研究方向
　　在本研究中，科学家们首次发现并证实了MeApd-to-MPOA通路在小鼠模型中调控社会奖赏行为中的重要作用，促进了我们对社会行为在大脑中神经网络调控的进一步理解。 研究该神经环路，或许将来可以通过人为干预的方式来治疗或预防孤独症。
　　据美疾控中心2020年的报告，美国孤独症的发病率已高达1/54，这是什么概念呢？相当于在一节高峰时期的地铁车厢内就可能有一位孤独症患者。
　　而目前中国有超过1000万的孤独症患者，其中12岁以下的患者约有300多万，这并不意味着我们的发病率低，而可能是很大一部分患者连诊断的机会也没有。
　　虽然孤独症的具体病因还没有找到，但是科学家们在锲而不舍地进行研究，每一项研究的进展都在拉近我们和星星的距离。
　　我们会将这些国际上最新的研究成果分享给大家，以科学的态度看待孤独症，不轻信没有科学证明的所谓＂能治好自闭症＂的药物或是治疗方式。
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　　参考文献[1] Supekar K, Kochalka J, Schaer M, et al. Deficits inmesolimbic reward pathway underlie social interaction impairments in childrenwith autism[J]. Brain, 2018, 141(9): 2795-2805
　　[2] Hong, W., Kim, D.-W. & Anderson, D. J. Antagonistic control of social versus repetitive self-grooming behaviors by separable amygdala neuronal subsets. Cell 158, 1348–1361 (2014).
　　[3] Chen, P. B. et al. Sexually dimorphic control of parenting behavior by the medial amygdala. Cell 176, 1206–1221 (2019).