最新技术 | 下丘脑捕食者迫近的种群编码

在整个动物王国中，快速有效的先天防御行为对于保护动物免受捕食者或同种动物的伤害或杀死至关重要。在啮齿动物中，先天性和习得性防御反应是由解剖学上不同的神经通路介导的。尽管条件防御反应背后的回路已经被广泛研究，那些中介先天恐惧的人受到的关注较少。

腹内侧下丘脑的背内侧和中央分支在哺乳动物先天防御网络中起着关键作用。该区域从嗅觉/嗅觉、听觉和其他感觉处理区域接收信息，这些信息被与威胁相关的刺激激活。VMHdm/c 中表达核受体蛋白类固醇生成因子的谷氨酸能神经元，以下简称 VMHdmSF1神经元对于小鼠的捕食者诱发的防御行为是必需的。这些神经元的光遗传学刺激可以在不同的阈值引发不同类型的防御行为。钙成像显示 VMHdmSF1神经元在遇到捕食者时被强烈激活。

2025年3月13日，来自加州理工学院神经科学研究所David J. Anderson教授带领的研究团队在《 Neuron 》上发表了题为Population coding of predator imminence in the hypothalamus的研究论文。

在这项研究中，研究团队调查了单个 VMHdm 的神经编码SF1在自然主义捕食者遭遇期间行为自由的小鼠中的细胞。捕食者防御性的个体差异和捕食者诱发活动的持续持续时间密切相关。这些数据与以前的研究相结合，提供证据证明 VMHdmSF1神经元编码并控制捕食者诱发的内部情感状态的强度和长度，这可能有助于人类对恐惧的主观体验。

▲VMHdm 活动不是捕食者接近程度或运动强度的直接衡量标准

研究团队对行为自由的雄性小鼠进行了显微内窥镜成像 VMHdmSF1表达 GCaMP7f 的神经元。将小鼠引入定制设计的两室竞技场。与玩具大鼠对照相比，大鼠的表现导致动物的空间导航模式发生明显变化。

小鼠经常接近并检查调查区的大鼠，随后从威胁处逃到远端区。这种行为序列称为“风险评估”，通常用于评估和应对威胁情况。研究团队将风险评估序列分为接近阶段和逃逸阶段，并检查了相关的神经动力学。这一观察结果促使研究团队调查 VMHdm 的这种上升和下降SF1活动仅代表捕食者接近程度的变化，反映了嗅觉线索的距离依赖性强度或者更确切地说，是捕食者引起的感知威胁水平。

然而，这种解释并不排除逃逸阶段的高活动反映了与飞行相关的剧烈运动活动的可能性，而不是防御性内部状态。为了严格消除这些替代方案的歧义，研究团队采用了广义线性模型来识别选择性调整到刺激、捕食者接近度和动物速度的神经元。由于这些速度调整的神经元数量很少，并且可能反映运动伪影，因此研究团队决定不进一步研究该亚群。

因此，研究团队的 GLM 分析显示刺激身份是 VMHdm 方差的主要来源SF1神经活动。

▲VMHdm 具有不同的子群，分别代表安全和威胁信号

为了进一步研究刺激身份与内部状态编码之间的关系，研究团队设计了一种行为分析，其中动物的内部状态可以独立于刺激对象的身份进行作。研究团队通过引入庇护所/避难所来修改两室竞技场。这可能在一定程度上反映了防御策略的转变，以应对环境的变化——即避难所的可用性。

研究团队观察到被锁定到进入庇护所的平均种群活动有所减少。这并不能区分这种减少是反映了同质细胞群活性的均匀变化还是不同亚群的相对活性的变化。令研究团队惊讶的是，这两个亚群对活体大鼠的引入也表现出相反的反应。研究团队试图研究 ShelterIN 和 ShelterOUT 亚群与先前在没有 shelter 的两室测定中鉴定的 k-means 簇之间的关系。大多数 ShelterIN 神经元被分配到第 3 簇，而 87.2% 的 ShelterOUT 神经元位于第 1 簇。

▲一种新的行为范式，用于检查防御行为、捕食者迫在眉睫和上下文的编码

以前的研究表明，VMHdm 的光遗传学刺激SF1神经元以强度或投射依赖性方式诱导各种类型的防御行为。“迫在眉睫”反映了猎物感知到的被攻击的可能性或预测的与捕食者接触的时间。为了探索防御行为、捕食者迫在眉睫和背景的编码，研究团队开发了捕食者迫在眉睫和背景分析，这是一种受该理论框架启发的新型行为范式。

研究团队使用 PICA 来模拟自然主义捕食者的遭遇，并唤起更广泛的先天防御行为，例如跳跃、冻结和无向逃跑，这些行为在两室测定中很少或没有观察到。研究团队假设不同的防御行为由不同的 VMHdm 控制SF1亚群，类似于杏仁核介导条件恐惧。应用 GLM 来严格识别冻结和无向逃逸的单细胞相关性。然而，不到 1% 的细胞在这些行为上表现出 GLM 权重，而大约 70% 的细胞主要对大鼠表现做出反应。

▲防御状态的编码来自种群机制

接下来，研究团队假设 VMHdmSF1可能编码由两种模式触发的内部防御状态的强度，而不是不同的防御行为。人们可能认为 VMHdmSF1活动只会随着威胁的迫近而增加。研究团队的结果表明，当独立呈现时，模式 N 和 F 会引起相似水平的活动和动态。研究团队首先利用 GLM 来识别两种防御模式的单细胞相关性。这一结果表明，VMHdm 中确实存在防御模式的编码SF1神经元，但在种群水平而不是单细胞水平上。

研究团队在双反转 PICA 数据集上执行了独立的 k-means 聚类，聚类数也设置为 3。这再次导致集群与之前获得的 3 个集群表现出定性相似性。所有三个集群都为迫近编码群体做出了贡献。值得注意的是，由该解码器加权的集群 1 神经元的平均活动在质量上类似于即将编码群体的动力学，无论呈现顺序如何，在模式 N 中表现出比模式 F 更高的活动水平。

▲VMHdm 动力学与动物之间防御性的个体差异相关

在 PICA 中，研究团队观察到基因相同的个体之间存在广泛的行为差异。鉴于 VMHdmSF1神经活动本身并不编码 PICA 中的防御行为，研究团队利用这种行为变异性来研究它是否与 VMHdm 的任何特征相关SF1活动。天真地，人们可能认为表现出更多防御行为的动物会具有更高水平的峰值神经元活动。然而，DI 与 VMHdm 的峰值振幅没有相关性。

研究团队对神经数据的无监督分析表明，VMHdmSF1神经元编码广泛的捕食者相关变量，包括威胁对象身份、可扩展的防御性内部状态、捕食者迫在眉睫、安全性以及新奇或唤醒。使用旨在分离这些变量的不同行为分析，研究团队发现它们在 VMHdm 中的神经表示存在异质性SF1人口。这三个簇中的每一个在不同测定中的平均活性与其同源簇都表现出高度和特定的时间相关性，表明它们包含相似的细胞群。

下丘脑 VMHdmSF1神经元被捕食者线索激活，对于本能的防御反应是必要和足够的。然而，这些数据并不能区分 VMHdm 编码的捕食者遭遇的哪些特征SF1神经活动。值得注意的是，威胁和安全由反相关亚群双向编码。引人注目的是，捕食者防御性的个体差异与 VMHdm 的个体差异相关SF1反应动力学。因此，不同的与威胁相关的内部状态变量由遗传定义的、解剖学限制的下丘脑细胞类别中的不同神经元亚群编码。

领脑科技最新产品在体可穿戴微型显微镜MiniFM1，作为同类的钙成像研究必备的国产自研设备，已全新上市！

领脑科技将持续为您

跟进业界最新技术与资讯，

下期见。

往期精彩内容