下丘腦腹側(cè)部( ventromedial hypothalamus，VMH)從被發(fā)現(xiàn)以來一直被認為是“攻擊中心”，對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，VMH的腹外側(cè)區(qū)（VMHvl）是調(diào)控攻擊行為的關(guān)鍵核團[1]。特異性抑制VMHvlPR神經(jīng)元的活動可減少雄鼠對領(lǐng)土侵犯的行為，強制激活VMHvlPR神經(jīng)元則會引起其對同種或異種生物的攻擊[2,3]。研究發(fā)現(xiàn)，VMHvlPR神經(jīng)元會通過一種對社會環(huán)境非常敏感的方式喚醒攻擊行為[2]，但這種現(xiàn)象背后的機制尚不清楚。
鏡像神經(jīng)元（mirror neuron）是指動物在執(zhí)行某個行為以及觀察其他個體執(zhí)行同一行為時都發(fā)放沖動的神經(jīng)元。因而可以說這一神經(jīng)元“鏡像”了其他個體的行為，就如同自己在進行這一行為一樣[4]。對于人腦來說，在前運動皮質(zhì)、運動輔助區(qū)、第一軀體感覺皮質(zhì)、頂葉下皮質(zhì)等中都有發(fā)現(xiàn)這類神經(jīng)元。鑒于它們代表了自我和他人的行為，鏡像神經(jīng)元被認為是能夠成功進行社會互動認知的重要組成部分[5]。然而，鏡像神經(jīng)元在行為表現(xiàn)中的功能相關(guān)性尚不清楚。
2023年3月16日，神經(jīng)生物學領(lǐng)域著名期刊Cell上發(fā)表了題為Hypothalamic neurons that mirror aggression的工作，斯坦福大學Nirao M. Shah團隊通過一系列工作進一步闡明了VMHvlPR神經(jīng)元在攻擊性行為中的作用[6]。
為了測試VMHvlPR神經(jīng)元對攻擊行為的響應(yīng)，研究者們通過向PRCre小鼠的VMHvl區(qū)注射Cre依賴的GCaMP6s病毒（AAV1-Syn-FLEX-GCaMP6s）以便觀察VMHvlPR神經(jīng)元的響應(yīng)（圖1A）。結(jié)果顯示雄鼠在攻擊（圖1C）、搖尾（一種類似示威的行為，圖1D）以及觀察攻擊（圖1E）和觀察搖尾（圖1F）時，VMHvlPR神經(jīng)元都會被激活（圖1C-F）。
圖1: VMHvlPR神經(jīng)元在攻擊與觀察攻擊行為時會被激活
接下來研究者們又分別研究了嗅覺、視覺、過往經(jīng)驗在引起VMHvlPR神經(jīng)元響應(yīng)中的作用。結(jié)果顯示嗅覺缺失（圖2A-C）或者沒有過交配、攻擊（圖2G-I）的動物在觀察到其他動物攻擊行為時，VMHvlPR神經(jīng)元仍會被激活，但缺少視覺輸入的動物VMHvlPR神經(jīng)元并不會被激活（圖2D-F），這說明視覺輸入在Aggression-mirroring這個過程中起至關(guān)重要的作用。
圖2：視覺對Aggression-mirroring起至關(guān)重要的作用
接下來，研究者們通過miniscope技術(shù)（同樣是向PRCre小鼠的VMHvl區(qū)注射AAV1-Syn-FLEX-GCaMP6s）在單細胞層面觀察了VMHvlPR神經(jīng)元在攻擊和觀察攻擊行為中的電活動（圖3B、C）。其中在攻擊（圖3D、F、H、J）或搖尾（圖3E、G、I、K）時作為VMHvlPR神經(jīng)元的激活程度相似（圖3L）。研究者們通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，小鼠在自己進行攻擊行為和觀察到其他動物攻擊行為時，有一部分VMHvlPR神經(jīng)元都被激活了（圖4）。
圖3:單細胞分辨率觀察VMHvlPR神經(jīng)元響應(yīng)
圖4:一部分VMHvlPR神經(jīng)元在攻擊和觀察到攻擊行為時被共同激活
研究者們后續(xù)又設(shè)計了Mirror-TRAP的策略（在FosCreERT2小鼠VMHvl區(qū)注射AAV1-Syn-FLEX-GCaMP6s，并在其目睹其他小鼠攻擊后注射4OHT，使被激活的VMHvl神經(jīng)元表達GCaMP6s）（圖5D），結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠在目睹其他小鼠攻擊或搖尾行為后，都有觀察到大量的VMHvl神經(jīng)元被激活（圖5E、F）。在驗證了Mirror-TRAP標記VMHvl神經(jīng)元的有效性后，研究者們向FosCreERT2小鼠VMHvl區(qū)注射AAVDJ-EF1a-DIO-hM3D(Gq)-mCherry或AAVDJ-EF1a-DIO-hM3D(Gi)-mCherry，并在其目睹其他小鼠攻擊后注射4OHT，使被激活的VMHvl神經(jīng)元表達DREADDq/DREADDi，即可通過化學遺傳學的方式激活或抑制VMHvl神經(jīng)元（圖6A，7A）。實驗結(jié)果也顯示，在給予了CNO激活VMHvl神經(jīng)元后，雄鼠的攻擊行為明顯增多（圖6B-G），而在抑制VMNvl神經(jīng)元后，雄鼠的攻擊行為則明顯減弱（圖7B-G）。
圖5: mirror-TRAP策略可標記觀察攻擊行為時的VMHvl神經(jīng)元
圖6:化學遺傳學激活VMHvl神經(jīng)元使雄鼠攻擊性更強
圖7: 化學遺傳學抑制VMHvl神經(jīng)元使雄鼠攻擊性減弱
總之，這項工作從單細胞分辨率證明了小鼠VMHvl區(qū)神經(jīng)元的活動會對自身的攻擊行為及目睹攻擊行為產(chǎn)生響應(yīng)，并通過化學遺傳學的手段證明了VMHvl神經(jīng)元控制攻擊行為的有效性。
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參考文獻…
[1] Lin, D., Boyle, M.P., Dollar, P., Lee, H., Lein, E.S., Perona, P., and Anderson,D.J. (2011). Functional identification of an aggression locus in the mouse hypothalamus. Nature 470, 221–226.
[2] Yang, T., Yang, C.F., Chizari, M.D., Maheswaranathan, N., Burke, K.J.,Borius, M., Inoue, S., Chiang, M.C., Bender, K.J., Ganguli, S., and Shah,N.M. (2017). Social control of hypothalamus-mediated male aggression.Neuron 95, 955–970.e4.
[3] Falkner, A.L., Dollar, P., Perona, P., Anderson, D.J., and Lin, D. (2014). Decoding Ventromedial Hypothalamic Neural Activity during Male Mouse Aggression. J. Neurosci. 34, 5971–5984.
[4] Gallese, V., Fadiga, L., Fogassi, L., and Rizzolatti, G. (1996). Action recognition in the premotor cortex. Brain 119, 593–609.
[5] Rizzolatti, Giacomo; Craighero, Laila. The mirror-neuron system (PDF). Annual Review of Neuroscience. 2004, 27: 169–192
[6] Yang, T., Bayless, D.W., Wei, Y., Landayan, D., Marcelo, I.M., Wang, Y., DeNardo, L.A., Luo, L., Druckmann, S., and Shah, N.M. (2023). Hypothalamic neurons that mirror aggression. Cell.(原文)