生长抑素与小白蛋白中间神经元在痕迹条件化学习与觉醒中的分工机制研究

《iScience》：Roles for somatostatin and parvalbumin interneurons in learning and arousal during trace conditioning

　　本研究针对大脑如何整合感觉线索与情感效价来指导学习这一核心问题，聚焦于初级体感皮层（S1）中生长抑素（SST）与小白蛋白（PV）中间神经元在痕迹眼睑条件化（TEC）学习中的作用。研究人员通过双光子钙成像技术结合行为学分析，揭示了SST中间神经元动态追踪并优化预测性运动反应，而PV中间神经元则主要处理情感唤醒，二者在学习过程中存在明确的功能分离。该发现阐明了皮层微环路在处理学习多维度信息时的细胞机制，为理解精神疾病中感觉-情感整合异常提供了新视角。

　　

当我们学习将特定声音与即将发生的疼痛联系起来时，大脑是如何完成这种神奇的联系的？传统观点认为，初级感觉皮层只是被动处理基本感觉特征，而更高级的脑区负责复杂的整合。然而，越来越多的证据表明，即使是在感觉皮层的浅层，也在学习过程中编码着丰富的情境信息，包括自我运动、期望和注意力状态。这表明感觉皮层远不止是一个被动的中继站，而是积极参与多模态整合的关键区域。

皮层处理的一个关键特征是其丰富的中间神经元（INs）多样性，它们通过特化的连接来塑造神经动力学。其中，表达生长抑素的中间神经元（SST-INs）和表达小白蛋白的中间神经元（PV-INs）基于其结构和连接性扮演着不同的角色。SST-INs主要靶向树突，调节感觉整合和可塑性，而PV-INs则支配细胞体，控制网络同步性和信号放大。尽管它们在微环路中的作用已被部分阐明，但这些中间神经元如何贡献于学习的多维度需求——包括感觉预测、情感显著性和行为适应——仍然是一个悬而未决的问题。

为了填补这一空白，来自怀俄明大学的研究团队在《iScience》上发表了他们的最新研究成果。他们利用痕迹眼睑条件化（TEC）这一经典范式，研究了S1皮层中SST和PV中间神经元在学习过程中的特异性作用。TEC要求动物将一种条件刺激（CS，如胡须偏转）与一种非条件刺激（US，如吹向眼睛的气流）联系起来，两者之间有一个短暂的时间间隔（痕迹间隔）。这个任务需要整合感觉、时间和情感信息，是研究中间神经元贡献的理想模型。

研究人员主要运用了双光子钙成像技术，在头部固定但可在跑轮上自由活动的小鼠身上，实时观察S1皮层第2/3层中SST-INs或PV-INs的钙瞬变活动（通过GCaMP6s指示）。同时，他们通过肌电图（EMG）记录眼睑肌肉的收缩来量化学习行为，并通过旋转编码器记录小鼠的运动状态作为觉醒的代理指标。此外，研究还通过系统性注射尼古丁受体拮抗剂美加明（MEC），探讨了胆碱能信号在调节中间神经元活动中的作用。

Changes in IN population activity during TEC learning

研究发现，SST中间神经元群体的活动在学习过程中表现出动态变化。在条件刺激（CS）窗口期间，SST-INs的平均群体活动在从习惯化阶段到初始学习阶段时增加，但随着学习进展到专家阶段，其活动显著下降。相反，在非条件刺激（US）窗口期间的活动也从初始阶段到专家阶段降低。SST-INs的钙信号与运动的相关性随着学习进展而降低，而与眼睑肌电（EMG）的相关性则从习惯化阶段到初始阶段增加。这些结果表明SST-INs的活动与CS期间的预期性眼睑眨眼相关，并且其活动随着动物掌握TEC任务而减少，提示SST-INs是S1编码TEC学习的一个组成部分。

与SST-INs不同，PV中间神经元在CS窗口期的活动在各个学习阶段没有显著变化。然而，在US窗口期，PV-INs的活动表现出与SST-INs相似的趋势，即从初始阶段到专家阶段活动降低。PV-INs的钙信号与EMG在整个训练过程中没有显示出显著的相关性变化，而其与运动的相关性从习惯化阶段到初始阶段增加，但在初始阶段与专家阶段之间没有差异。这表明PV-INs可能在学习过程中表现出更稳定的活动模式，而SST-INs在评估感觉刺激方面扮演更突出的角色。

Differential locomotion-modulated activity in SST- and PV-INs across learning stages

运动已知会通过改变神经递质水平来调节感觉处理。研究人员分析了运动对不同学习阶段SST-INs和PV-INs活动的影响。在习惯化阶段，SST-INs在奔跑试次中的活动低于静止试次，而PV-INs在奔跑试次中的活动则高于静止试次。在初始和专家阶段，SST-INs在奔跑和静止试次中的活动没有显著差异。然而，在初始阶段，PV-INs在奔跑试次中的活动仍然高于静止试次，无论是在CS还是US窗口。随着学习进展，PV-INs在奔跑和静止试次中的活动差异在专家阶段消失。这些发现表明SST-INs和PV-INs在学习阶段受到运动的差异化调节，PV-INs在早期学习阶段对运动表现出更高的敏感性。

结合之前观察到的运动主要发生在UR周期之后，并且在CS-US试次中发生率远高于CS-only试次，以及在专家阶段运动显著减少的现象，研究人员认为运动很可能是一种与压力相关的行为，随着动物获得预期性眼眨的保护而减少。因此，PV-INs的活动与US后压力相关的运动呈正相关，并且没有表现出学习相关的变化，提示其参与了处理任务的情感或厌恶成分。

Cholinergic modulation of TEC-induced neuronal responses in INs

胆碱能调节有助于TEC条件化的形成。为了确定胆碱能系统是否在学习过程中调节中间神经元的活动，研究人员在成像不同学习阶段中间神经元的钙瞬变时，对胆碱能信号进行了药理学操作。使用尼古丁受体拮抗剂美加明（MEC）阻断胆碱能信号后，SST-INs在CR窗口期的活动显著增加，但在UR窗口期没有变化。此外，每个会话中SST-INs的平均活动与CS窗口期的平均EMG振幅呈负相关。在评估胆碱能调节对运动相关SST活动的影响时发现，在奔跑和静止试次中，MEC组的SST活动均高于生理盐水组。然而，在生理盐水组中，奔跑试次的SST活动低于静止试次，而在MEC组中没有观察到这种差异。

相比之下，MEC处理并未改变PV-INs在CR或UR窗口期的平均活动，PV-INs活动与CS窗口期EMG振幅之间也没有显著关系。在奔跑和静止试次中，MEC组的PV活动均高于生理盐水组。然而，在两个组中，奔跑试次的PV活动仍然低于静止试次。这些发现表明胆碱能信号差异性地调节SST-INs和PV-INs，对SST-INs在条件反应期间的影响更强，而对PV-INs没有影响。这突出了这些中间神经元亚型在处理运动相关信息和塑造学习期间行为方面的不同作用。

讨论与意义

本研究揭示了初级体感皮层中SST和PV中间神经元在痕迹条件化学习中的独特贡献。SST-INs在学习的早期阶段表现出动态的活动变化，其活动在条件刺激期间与预期性眼睑眨眼相关，并随着学习的熟练而下降，这表明它们特别参与感觉刺激的早期编码和处理，有助于动物在学习的初始阶段整合和评估新信息。这一发现与SST-INs调节树突整合和可塑性的已知功能一致，这些过程对于感觉处理和学习至关重要。

相比之下，PV-INs在条件刺激窗口期的活动在不同学习阶段保持稳定，但在非条件刺激窗口期的活动随着学习进展而降低，这表明PV-INs可能不直接参与感觉学习的早期阶段，但对与非条件刺激相关的反应调节有贡献，这对于与任务相关的运动控制或防御机制可能至关重要。PV-INs已知负责调节网络同步性和增益控制，其在条件刺激期间的稳定活动可能反映了它们在感觉处理过程中维持皮层兴奋性的作用。

运动对中间神经元活动的调节作用也表现出差异性。在习惯化阶段，运动抑制了SST-INs的活动却增强了PV-INs的活动，这表明早期学习过程中SST-INs可能抑制某些运动行为，而PV-INs则在运动期间促进感觉处理。随着学习进展，运动对SST-INs活动的影响减弱，而PV-INs在初始学习阶段仍对运动敏感，在专家阶段趋于稳定。这些发现表明运动依赖的中间神经元活动调节在新任务获取过程中扮演动态角色，可能反映了感觉-运动整合与行为控制之间的平衡。

胆碱能信号在塑造SST-INs和PV-INs活动中起着重要作用。尼古丁受体拮抗剂美加明增加了SST-INs在条件反应期间的活动，并削弱了运动调节效应，这表明胆碱能输入对SST-INs施加了更强的影响，并可能塑造其处理任务相关感觉信息的作用。而对PV-INs缺乏影响则意味着它们的活动可能在学习过程中受到其他神经调节系统（如GABA能或谷氨酸能输入）的调节。

该研究最重要的发现在于揭示了SST-INs和PV-INs在皮层微环路中存在一种“功能分离”：SST-INs负责优化预测性行为，而PV-INs则编码情感唤醒。这种分工机制为理解大脑如何高效处理学习所涉及的多维度信息提供了新的细胞基础。这些发现对于理解中间神经元功能失调的精神神经疾病（如精神分裂症、自闭症和焦虑症）具有更广泛的意义。例如，SST-INs的缺陷与精神分裂症的感觉处理受损有关，而PV-INs的功能障碍则与自闭症的网络同步性改变相关。针对特定的中间神经元亚型或胆碱能通路可能为这些疾病的治疗提供新的策略。

尽管该研究取得了重要发现，但仍存在一些局限性。例如，使用头部固定的小鼠可能影响行为反应，因为头部固定会改变自然运动模式和压力水平。未来研究采用自由移动范式可提供更自然学习背景下中间神经元作用的见解。此外，研究未在单神经元水平检查TEC训练期间与运动相关或无反应神经元的活动变化，也未能通过直接抑制SST-INs或PV-INs的实验来确认其因果贡献，部分原因是技术上的挑战以及对整体网络动力学的潜在影响。

综上所述，这项研究清晰地阐明了感觉皮层中特定抑制性中间神经元亚型在 associative learning（联想学习）中的分工协作，深化了我们对皮层微环路在处理感觉与情感信息方面机制的理解，并为相关精神疾病的病理机制研究和治疗策略开发提供了重要的理论依据。