Science述评：喝水也要用全心：口渴状态对全脑神经活动的调节

来源：ScienceAAAS

中科院青促会 尚春峰

（中国科学院神经科学研究所）

评述论文：Thirst regulates motivated behavior through modulation of brainwide neural population dynamics (Science 5 April 2019: Vol 364, Issue 6435)

自从Paul Broca确定了运动型失语症患者的病灶在左脑额下回后部，各种感觉、运动、认知功能纷纷被定位到各自的脑区，并且日益精细到了感觉刺激的不同特征和神经元类型层次。然而功能磁共振成像和大范围光学记录显示从简单的胡须触碰到社交行为，多种脑功能都需要跨脑区的功能协作[1,2]。这些研究受限于记录手段的空间分辨率，难以区别神经元的活动。近年来成像技术的发展，在以斑马鱼为代表的小动物脑上实现了全脑神经元活动的同时记录，揭示了视动、捕食等行为涉及的从感觉到运动等多脑区之间的协作关系[3]。而针对哺乳类动物较大的脑，则一直在发展能够大规模记录单神经元活动的电极，如neuropixel（图1A）和最新的神经流苏[4,5]。本期Science杂志上Karl Deisseroth实验室和骆利群实验室的合作成果就利用neuropixel研究了口渴驱动的本能行为在全脑范围内是如何表征的。

实验采用口渴小鼠，以嗅觉信号提示其可以舔水，如此多次重复直到小鼠喝饱后不再舔水。期间掺入三分之一的另一种嗅觉信号提示舔不到水，以作为对照（图1B,C）。作者利用neuropixel共记录了21只小鼠上的23881个神经元。染料标记和三维重构发现，这些神经元分布在34个脑区，跨越了重要的大脑皮层区域和皮层下结构(图1D)。初步观察其活动显示，对于口渴小鼠，可以舔水的嗅觉信号在多个脑区都诱发了快速反应，随后神经活动扩展到各脑区内的其它神经元。在多数脑区这一扩散发生在小鼠舔水之前，因而其平均活动出现在刺激起始后500毫秒内，而在运动脑区神经活动持续上升，直至2秒前后小鼠舔水。相比之下，舔不到水的嗅觉信号虽然也在很多脑区诱发了反应，这些反应很快结束，与小鼠不舔水的行为一致。小鼠喝饱以后，两种嗅觉信号都只能引起短暂的神经活动，不会持续到行为反应阶段，显示出动物个体状态对全脑活动的调节。事实上，小鼠所处的不同状态，已经反映在接受嗅觉刺激之前的自发神经活动中，很多神经元的自发活动在小鼠喝饱之后出现了改变。

进一步，作者应用聚类分析归纳了神经元活动的不同类型，并考察各种类型的神经元活动分别对口渴状态、嗅觉刺激和舔水行为的编码，结果显示，每种信息都由多种类型的神经元编码（图1F），不同脑区中三种信息编码的神经活动都有发现，但比例不同（图1G）。由于嗅觉刺激稳定地引起舔水行为，对这两种信息的编码是通过观察神经活动的不同阶段来实现的，相应的神经元类型之间存在重叠。对比口渴和喝饱之后的神经活动发现，同样接受可以舔水的嗅觉信号，各脑区表现出同样的感觉反应，但后一状态下的反应不会扩展到更多神经元，提示口渴状态的调节作用是通过特定的神经元群体实现的。

当把全脑神经元视为一个整体，神经活动即表现为一个高维状态空间中的点，该点在空间中每个维度上的坐标对应一个神经元的活动。通过把这一高维空间的动态过程降至低维空间观察，作者进一步考察了全脑神经活动在时间上的演化历程（图1E）。与前面预期相似，活动从起始就受到口渴状态的调节。接受到不同的嗅觉刺激后，活动开始向相应的方向演化，但只有在口渴状态下接受可以舔水的刺激后，才会演化至运动输出较强的状态。因而，这一低维状态空间很好地描述了全脑神经活动的演化历程。

既往的研究认为下丘脑的穹窿下器神经元能够感受渗透压和血管紧张肽的变化，从而编码口渴状态，驱动饮水行为。本文作者应用光遗传学手段激活了该脑区的谷氨酸能神经元，成功地把已经喝饱的小鼠的全脑神经元活动状态回复到了口渴状态的。一方面这与之前的结果一致，另一方面也提出新的问题：状态相关的神经元广泛分布在多个脑区，它们是如何获得状态相关信息的？是否都是穹窿下器神经元的下游，还是存在一定的交互作用？进而，口渴状态对感觉和运动编码的调节，是否通过各脑区的状态相关神经元实现的？电生理记录良好的时间分辨率足以为这些问题提供答案，而目标特异性和时间分辨率日益发展的光遗传学操纵则可以验证这些答案的因果性作用[6,7]。进一步，口渴饮水显然不是大脑的主要功能，遍布各脑区的口渴状态相关神经活动更多地反映了其它脑功能与本能行为之间的相互协调。更深入地了解脑功能工作的原理，除了记录、分析和操纵全脑范围的神经元活动，还需要设计丰富巧妙的行为实验来体现动物自然行为与脑功能的复杂多样。

图1.口渴状态对全脑神经元活动的调节

A.能够同时记录384个神经元活动的下一代电极neuropixel。

B.实验装置示意图：植入了neuropixel的口渴小鼠在嗅觉信号提示下舔水。

C.实验流程：嗅觉信号前1.1秒为基线状态，嗅觉信号起始后持续0.5秒，反应区间为嗅觉信号起始后1.5至2.5秒。Go：可以舔水信号；No-Go：舔不到水信号；FA:误警；CR：正确拒绝；ITI：间隔。

D.电极插入位置，网格线为鼠脑轮廓。

E.投影到低维空间的全脑神经活动，该空间由口渴状态、嗅觉信息和行为三种活动模式张成。

F.对12986个任务相关的神经元活动进行无监督聚类。其中行为相关、嗅觉相关和状态相关的类分别标记为红色、绿色和蓝色。单个神经元活动为每一条件下所有记录的平均，不同条件的活动经过了标准化。

G.每个脑区内层次聚类的结果，显示各脑区中不同类神经元的比例。其中下丘脑室旁区的状态相关神经元比例最高，犁状皮层的嗅觉相关神经元比例最高，初级运动皮层的行为相关神经元比例最高。

中国科学院神经科学研究所副研究员，中科院青促会会员。主要研究基础认知活动的全脑神经元环路机制。

参考文献

Ferezou, I., Haiss, F., Gentet, L.J., Aronoff, R., Weber, B. and Petersen, C.C.H. Spatiotemporal dynamics of cortical sensorimotor integration in behaving mice. (2007) Neuron 56: 907-923.

Shepherd, S.V. and Freiwald, W.A. Functional networks for social communication in the macaque monkey. (2018) Neuron 99: 413-420.

Keller, P. and Ahrens, M. Visualizing whole-brain activity and development at the single-cell level using light-sheet microscopy. (2015) Neuron 85: 462-483.

Jun, J. J. et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. (2017) Nature 551: 232-236.

Guan, S., Wang, J., Gu, X., Zhao, Y., Hou, R., Fan, H., Zou, L., Gao, L., Du, M., Li, C. and Fang, Y. Elastocapillary self-assembled neurotassels for stable neural activity recordings. (2019) Science Advances 5: 2842.

Jiao, Z.F., Shang, C.F., Wang, Y.F., Yang, Z., Yang, C., Li, F.N., Xie, J.Z., Pan, J.W., Fu, L. and Du, J.L. All-optical imaging and manipulation of whole-brain neuronal activities in behaving larval zebrafish. (2018) Biomedical Optics Express 9: 6154-6169.

Ronzitti, E., Conti, R., Zampini, V., Tanese, D., Foust, A.J., Klapoetke, N., Boyden, E.S., Papagiakoumou, E. and Emiliani, V. Submillisecond Optogenetic Control of Neuronal Firing with Two-Photon Holographic Photoactivation of Chronos. (2017) Journal of Neuroscience. 37: 10679-10689.