最新技术 | 海马社交记忆：乙酰胆碱和催产素的关键作用

▲ ACh与OXT的全脑状态相关性

为了监测细胞外ACh和OXT的动态变化，研究团队同时或分别在自由活动的小鼠的家养笼中，成像了胆碱能受体基于绿色荧光的指示物GRAB_ACh3.0和红色荧光的指示物GRAB_rACh1.4的活动，以及催产素受体基于绿色荧光的指示物GRAB_OXT1.7。在同时记录实验中，带有突触蛋白（hSyn）启动子编码指示物GRAB_rACh1.4和GRAB_OXT1.7的腺相关病毒（AAV）被注入到背侧海马的一个半球中，而在分开的实验中，ACh3.0或OXT1.7被注入到不同动物的背侧海马中。病毒注射后的3周，将一根光纤植入到CA1-2锥体细胞层上方。在同一次手术中，还将多齿状硅探针植入到另一半球，以记录神经元的局部场电位（LFP）和细胞外动作电位。通过局部场电位（LFP）、肌电图（EMG）和运动或加速度的组合对脑状态进行分类。非快速眼动（NREM）的特征是慢波振荡功率增加，与睡眠棘波耦合，以及ACh和OXT的约0.02–0.05 Hz的准周期振荡。ACh和OXT信号通常呈反相关，在NREM-清醒（WAKE）和NREM-快速眼动（REM）转换期间也是如此，其中ACh在OXT达到最小值时达到峰值。运动速度和θ波功率均与ACh荧光呈正相关，在静止和运动启动之间变化最剧烈。相反，OXT信号与速度和θ波功率均呈负相关。

▲ NREM数据包过程中的ACh和OXT动态

为了检验大脑状态内部和跨越大脑状态之间电生理和神经调节剂模式之间的关系，研究团队一方面计算了ACh和OXT荧光波动与δ波段功率、睡眠棘波功率和γ波段功率之间的相关性。另一方面，研究人员对ACh和OXT信号波动进行了相关性分析。NREM周期被划分为“数据包”，这些间隔基于LFP和加速度计记录的谱功率，并且数据包的持续时间被归一化了。δ波段和睡眠棘波带的功率在NREM的数据包内单调增加，与ACh和OXT信号的持续减少平行。数据包的结束由微唤醒标记和δ和σ波段功率减少。这种状态变化与ACh荧光的迅速增加相关，随后是OXT信号增加的延迟。在频域上，谱分析揭示了在0.02–0.05 Hz波段之间的ACh和OXT两种神经调节剂与睡眠棘波的功率之间存在突出的相干峰，以及ACh和OXT信号之间的相干峰。在时域上，信号的交叉相关显示了NREM期间σ功率与两种神经调节剂之间的反相关关系，以及ACh和OXT信号之间的正相关关系。这个分析还显示了ACh荧光在OXT之前大约领先约2秒。因此，在较慢的时间尺度上，ACh和OXT水平的自发波动在行为状态之间基本上呈反相关，而在更细的时间尺度上可见有一个时间偏移的关系。

▲ 伽马和纹波带活动的状态相关性与ACh和OXT

大脑状态的变化与独特频带的特征性振荡相关。γ波带功率在活跃清醒期间倾向于最高，与θ波振荡相关。相比之下，尖波-涟漪仅在θ波振荡不存在时出现。由于快速γ爆发和涟漪的频率重叠并且持续时间相似，它们的生理上的不同性引发了激烈的讨论。为了将这些振荡模式与大脑状态相关的神经调节剂调节联系起来，研究团队构建了时间分辨功率谱，分别以NREM和WAKE期间ACh和OXT信号的峰值和谷值为中心。

为了进行定量比较，研究人员在活跃清醒期间使用了记录在CA1栅层的海马LFP进行γ波以及在NREM睡眠期间使用锥体层进行涟漪功率检测。在NREM期间，当ACh水平最高和最低时，涟漪功率分别达到最小值和最大值。ACh的激增与宽频带功率的减少相关，包括广泛的γ波带。相反，在清醒状态期间，γ波功率与ACh信号呈正相关。OXT信号的谷值和峰值之前分别伴随着涟漪功率的激增或下降。在清醒和REM期间，γ波带功率的增加和减少先于OXT信号的谷值和峰值出现，这与γ-ACh的相关性相反。这些发现表明了神经调节剂效应的大脑状态依赖性。此外，关于神经调节剂调节的了解可以可靠地区分γ和涟漪振荡。

▲ ACh与OXT的全脑状态相关性

为了消除检测荧光信号峰值和谷值的潜在不确定性，研究团队在相反方向进行了一项补充分析。研究人员在NREM期间对孤立的SPW-Rs、SPW-R双重体和SPW-R簇的发生时采样ACh和OXT荧光。每个组中SPW-Rs的最大概率与ACh信号的缓慢减少-增加的谷值相吻合。在SPW-R之后约2秒，OXT信号达到最小值，然后与ACh信号平行缓慢恢复。无论是在不同实验中分别对ACh和OXT进行成像，还是在同一动物中同时成像，ACh和OXT荧光围绕SPW-R的采样，三方面的时间关系保持相似。在SPW-R之后观察到OXT荧光信号的最快速度变化，表明与ACh传感器相比，OXT传感器的动力学变化较慢并不是观察到的约2秒ACh-OXT时间偏移的原因。

这些结果引发了一个可能性，即OXT的急剧减少是由于SPW-R背后的同步神经元活动所致。为了测试这种假设的海马同步作用，研究团队检查了SPW-R之外群体同步的影响。研究人员从多单元活动（MUA）的广泛分布中分离出四个同步幅度水平，并对围绕同步事件的神经调节剂荧光信号进行采样，类似于SPW-R采样。在NREM期间，研究者检测到OXT荧光信号的快速减少，达到MUA同步后约2秒的最小值。预期地，MUA同步与ACh和OXT信号在NREM期间显示出与SPW-R类似的关系。相比之下，在清醒期间，MUA同步的幅度随着ACh的增加而增加，这也是γ波功率的情况。与NREM类似，OXT信号在MUA突增后立即下降，尽管程度较小。这些观察结果表明，ACh与海马同步的关系是大脑状态相关的。在NREM期间，人口同步和ACh水平呈反相关，而在清醒动物中，ACh可能促进MUA同步和γ波振荡。相比之下，OXT水平在海马输出同步活动后一直降低。

▲ ACh和OXT对海马放电率和SPW-Rs的影响

为了挑战观察到的相关性，研究团队进行了干扰实验，通过在ChAT-Cre小鼠的内侧隔核（medial septum, MS）中表达抑制性halorhodopsin或兴奋性通道蛋白，以及在OXT-Cre小鼠的下丘脑室上核（PVN）中表达ChR2。在NREM期间，通过光遗传学沉默MS胆碱能神经元增加了睡眠棘波和涟漪波段的功率，锥体细胞和假定间神经元的放电率以及SPW-R的发生概率。以补充方式，MS胆碱能神经元的光遗传学激活减少了棘波和涟漪波段的活动，几乎消除了SPW-R，从而证实了先前的结果。在NREM期间，MS的激活增加了间神经元和锥体细胞的放电率和减少。在PVN中的OXT神经元的光遗传学激活也减少了涟漪功率和SPW-R的发生，但与胆碱能激活相比，它对神经元的放电影响较小。因此，虽然ACh和OXT在NREM期间对SPW-R和单个神经元的放电模式产生了定性上相似的效应，但这两种神经调节剂在清醒期和REM期间表现出相反的关系，表明这两种神经调节剂之间存在复杂的生理关系。

▲ 胆碱能激活诱导的OXT抑制

ACh在OXT之前的时间领先暗示着胆碱能活动可能调节OXT信号传导。来自下丘脑、脑干和基底前脑的胆碱能神经元释放的ACh可以直接影响OXT能神经元，也可以通过海马-侧隔-下丘脑通路间接影响OXT信号传导。研究团队通过在NREM期间对MS胆碱能神经元进行光遗传学刺激来测试这些可能性。正如预期的那样，胆碱能神经元的光遗传学激活以光强度和持续时间依赖的方式增加了海马中的ACh荧光。与此同时，刺激引起了OXT信号的迅速下降，由相位和基线两部分组成。相位部分在刺激开始后1.44–1.79秒达到最小值，类似于SPW-R和CA1神经元同步爆发后ACh和OXT之间的约2秒延迟。研究人员通过测量相位响应谷值时OXT信号的幅度来量化胆碱能激活对OXT的影响。OXT的下降与OXT信号的幅度之间呈现出较大的线性相关性，随后在整个刺激持续时间内保持了OXT荧光的持续性基线部分。

▲ 海马群体爆发诱导的OXT下降是由LS介导的

光遗传学实验还提供了量化ACh和OXT的体内动力学的机会。与ACh相比，OXT的响应时间常数和恢复时间常数都慢了数倍。

光遗传学操作支持了ACh对OXT的调节假设。为了识别胆碱能活动对OXT神经元的潜在电路诱导效应，通过假设的海马-LS通路，研究团队进行了两种操作。首先，研究人员在CamKII-ChR2小鼠中病毒性地表达了OXT1.7。在双侧植入了四根硅探针和钨丝以及两根光纤，以诱发人工涟漪，并单侧测量了OXT荧光。光遗传学触发的涟漪引发了OXT的快速降低，具有相同的潜伏期和动力学，类似于自然发生的涟漪。为了测试涟漪诱导效应的解剖途径，研究者在LS神经元中双侧病毒性地表达了抑制性设计受体专一激活的设计药物。LS抑制诱导了小鼠运动活动的增强；因此，研究团队的比较仅限于休息期间。在基线记录期间，SPW-R后海马中OXT荧光迅速下降，与SPW-R后约1.5–2秒达到最小值。在CNO诱导的LS失活期间，这种关系明显减弱。与对照会话相比，CNO注射后SPW-R率、涟漪频率和θ波带功率保持不变，而涟漪峰值功率略有下降。这些发现支持了同步的海马尖波在通过海马-LS-下丘脑通路调节OXT水平的假设。

这项研究调查了乙酰胆碱（ACh）和催产素（OXT）在各种大脑状态下的慢速和快速时间尺度上的相互作用。虽然这些神经调节剂NREM期间呈并行波动，但从NREM到REM的转变特点是乙酰胆碱的激增，但催产素持续减少。催产素信号滞后于乙酰胆碱。高乙酰胆碱与活跃清醒时期的人群同步和γ波振荡相关，而最小乙酰胆碱则预测SPW-Rs。光遗传学控制乙酰胆碱和催产素神经元验证了这些神经调节剂在观察到的相关性中的积极作用。同步的海马活动一直降低催产素活性，而侧隔-下丘脑通路的失活则减弱了这种效应。研究的发现展示了这些神经调节剂的合作作用如何使目标电路执行特定功能。

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