同济大学宋建人团队揭示产生和维持警觉状态的5-HT机制

2024年3月22日，同济大学医学院宋建人团队在Nature Communications杂志上发表了题为“Serotonergic modulation of vigilance states in zebrafish and mice”的研究成果。该研究解析了中缝核5-HT神经元以非传统的激活方式在神经环路水平塑造斑马鱼和小鼠大脑警觉状态的内在机制，有助于理解行为状态产生所必需的神经调质和神经环路之间的相互作用。

为了更好的探究警觉状态的产生和维持机制，研究人员首先建立了斑马鱼的警觉行为模型。并选用警报物质（Conspecific alarm substance，CAS）作为刺激物，它是斑马鱼同类的皮肤提取物。当斑马鱼受伤时，CAS释放到水中，被同类感知后，同类斑马鱼会迅速逃离危险环境，随后保持静止。这种方法可以有效地模拟自然界中动物遇到危险后逃离危险环境并躲避到安全区域，然后静止不动地警惕四周环境。CAS作为报警物质的能可靠地在斑马鱼中诱导产生一种持续的警觉行为。这种行为的特点是静止不动，但同时对厌恶刺激保持高度警惕。这为研究警觉行为的大脑内部状态的神经机制提供了一个良好模型（图1）。

为了确定警觉行为背后的神经动力学模式，研究人员利用双光子成像技术发现了大脑警觉状态的神经表征，为背侧皮层中心区（Central zone of dorsal pallium，Dc，与哺乳动物皮层同源）神经元持续性低频高振幅的同步化活动（图2）。研究结果表明中缝核5-HT神经元到Dc区域存在广泛的直接投射，当5-HT神经元持续且强烈激活时，大量的5-HT直接作用于Dc区域高表达5-HT7a受体的谷氨酸能神经元，谷氨酸能神经元的放电模式由单一的放电模式转变为簇发性放电模式。

此外，研究人员使用光遗传或化学遗传操纵手段对小鼠中缝核5-HT神经元进行持续激活，小鼠同样表现出运动相对静止并对厌恶性刺激反应阈值下降的警觉行为。处于高度警觉状态的小鼠在庇护所中停留更长时间，类似于自然界中动物与生俱来的防御反应。在遇到捕食者后，动物会躲进洞穴警惕捕食者。另外，在警觉状态下，小鼠脑电表现为低频高振幅的活动，同时前额叶皮层中的兴奋性神经元呈现簇发性同步放电（图3）。光遗传激活位于前额叶皮层中的5-HT神经元轴突末梢也同样可以诱发小鼠产生警觉状态，伴随小鼠瞳孔直径持续扩大。

最后，研究人员采用双光子功能成像结合电生理记录、单细胞RNA-Seq以及基因敲除等技术，首次解析了中缝核5-HT神经元以非传统的激活方式在神经环路水平塑造斑马鱼和小鼠大脑警觉状态的内在机制，有助于理解行为状态产生所必需的神经调质和神经环路之间的相互作用。

同济大学医学院宋建人教授和关娜副教授为论文共同通讯作者，同济大学医学院赵杨博士和黄春筱助理教授为共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委重大专项、上海市自然科学基金、同济大学附属上海市第四人民医院、同济大学脑与脊髓临床研究中心、同济大学医学院脑功能与人工智能转化研究所等资助。

参考文献：

1. Chen A, Reperant L, Fischhoff I R, et al. Increased vigilance of plains zebras (Equus quagga) in response to more bush coverage in a Kenyan savanna [J]. Climate Change Ecology, 2021, 1: 100001.