最新技术 | 多巴胺在海马中的奥秘：解锁空间记忆和目标导向行为

目标导向的空间导航是动物行为的基础功能，它对动物追求诸如食物、住所和配偶等必要资源而言，是一种必不可少的能力。现在的研究认为，神经调质剂多巴胺的功能是在动物的大脑基底神经元回路中产生与奖励相关的信号，而这种奖励在导航行为中扮演着驱动力的角色。然而，目前的研究尚不清楚多巴胺在海马中的具体作用，而海马是深度参与空间导航和通过场所细胞编码动物当前位置的大脑结构。

2023年11月22日，来自日本同志社大学认知和行为神经科学实验室的Tamatsu Yuta研究员和Azechi Hirotsugu研究员及其团队，在《iScience》上发表了题为Optogenetic activation of the ventral tegmental area-hippocampal pathway facilitates rapid adaptation to changes in spatial goals的研究论文。

该考察腹侧被盖区（Ventral tegmental area, VTA）多巴胺输入在空间导航中海马的目标适应背景下的影响。研究为多巴胺输入在背侧海马中促进目标位置在空间导航中的快速适应提供了有价值的见解。

▲ 小鼠空间学习任务的行为范式和迷宫配置

在这项研究中，团队研究了小鼠在一个圆形迷宫中的行为反应，特别关注它们适应固定和变化奖励位置的能力。

在固定奖励位置任务中，经过2天的训练，小鼠达到了平均80%的正确响应率。先前的研究通过阻断海马中的多巴胺受体表明多巴胺参与了变化奖励位置信息。

基于这一发现，研究人员训练小鼠执行一个变化奖励位置任务，其中唯一的修改是从固定奖励位置任务中随机改变奖励的位置。在4天的训练后，小鼠保持了平均50%的正确响应率。在第1天，小鼠无法更新奖励位置信息。然而，从第2天开始，它们进行了探索性行为，用鼻子戳动多个分配器以确定奖励位置，并逐渐选择了一个特定的奖励位置。

小鼠对奖励位置规则的适应并不一定与正确响应率相关。除了正确性外，研究者还计算了规则学习率以评估规则学习能力。在野生型小鼠中，规则学习率在4天内逐渐增加，最终达到平均50%。

▲ 多巴胺缺乏会改变小鼠的任务表现和学习能力

研究团队选择性地损伤了小鼠的多巴胺神经元，并将它们置于固定和变化奖励位置任务中，并比较了VTA/黑质致密部（Substantia nigra pars compacta, SNc）多巴胺神经元缺陷的小鼠和对照小鼠在一个会话中完成的总圈数和达到奖励位置的奔跑速度。

研究团队的数据突显了多巴胺缺陷对这两个任务中指标的显著影响。分析表明，VTA/SNc多巴胺神经元的缺陷显著改变了完成的圈数和达到奖励的速度。这一发现突显了VTA/SNc中的多巴胺水平在维持执行任务所需的动机和运动技能方面的重要性。固定奖励位置任务显示了多巴胺缺陷与实验日之间的交互作用对总圈数和奔跑速度结果的显著影响。相反，在变化奖励位置任务中，未观察到显著的交互作用效应。

在固定奖励位置任务中，我们发现正确响应率和规则学习率都存在显著差异。此外，这些差异在变化奖励位置任务中也是显著的。这些结果表明VTA/SNc多巴胺神经元的缺陷可能有助于在具有固定奖励位置的任务执行中维持空间记忆。此外，这些发现也与先前的研究结果一致，该研究涉及阻断海马多巴胺受体，显示海马中局部多巴胺的释放在更新空间目标中起到作用。

▲ 多巴胺受体阻断诱导小鼠行为异常

由于VTA来源的多巴胺与奖励位置改变背景下的海马反应之间的关联受到动机、运动障碍或两者的显著影响以及VTA/SNc多巴胺神经元的广泛投射的影响，因此很难分辨。这种复杂性强调了做出明确解释的挑战。为了从VTA/SNc多巴胺神经元的广泛投射中分离出海马依赖的效应，研究团队在进行固定奖励位置任务的小鼠的背侧海马中注射选择性多巴胺D1受体拮抗剂SCH23390。

有趣的是，D1受体阻滞的小鼠基本上保持在离开食物颗粒处的静止状态。在D1受体阻滞的小鼠和对照小鼠之间，在一个会话中完成的总圈数存在显著差异。这一意外的结果强调了多巴胺在背侧海马中对维持执行任务所需的动机和/或运动技能的内在作用，独立于更广泛的VTA/SNc多巴胺神经元的投射。由于多巴胺受体阻滞小鼠在迷宫中几乎不动，研究人员无法评估它们在涉及固定和变化奖励位置的任务中的表现。

▲ 光遗传刺激对VTA-海马通路的影响

多巴胺输入到海马起源于VTA/SNc和蓝斑（Locus coeruleus, LC）。因此，考虑到研究团队的发现，关注来自VTA多巴胺神经元到海马的具体激活而非抑制是至关重要的。团队研究了VTA多巴胺神经元在表达多巴胺转运体（Dopamine transporter, DAT）的情况下与背侧海马之间的因果关系。研究人员将编码了与增强红色荧光蛋白（ChrimsonR-tdTomato）融合的ChrimsonR17的Cre诱导病毒载体注射到DAT-IRES-Cre小鼠的VTA中。将光纤尖端定位在DAT^VTA小鼠的背侧海马CA1锥体细胞层的正上方，然后施加橙光作为干预。

研究人员在变化奖励位置任务中的三个不同时间点应用了两种不同类型的爆发性光刺激，分别为长（40毫秒）或短（10毫秒）持续时间，20Hz的脉冲模式：pre-stim，即在经过位于奖励位置前方15厘米处的红外阻挡传感器后；post-stim，即在鼻子戳到奖励位置后的1秒；opposite-stim，即在经过位于奖励位置相反侧的红外阻挡传感器后。

在pre-stim和post-stim时，短脉冲刺激对正确响应率或规则学习率没有显著影响。相反，在pre-stim和post-stim时，长脉冲刺激导致从第一天开始学习对改变的奖励位置进行快速适应，与对照组相比，正确响应率和规则学习率都存在显著差异。这种时序不变的效应意味着这种参与是独立于奖励位置周围的内部事件，如海马奖励细胞或位置细胞活动的。此外，在短时间和长时间脉冲刺激之间，无论是pre-stim还是post-stim条件，朝向奖励位置的奔跑速度都没有显著差异。这些发现表明，快速目标适应效应不仅仅归因于由VTA-海马多巴胺通路的长时间脉冲刺激引起的奖励位置周围的动机或运动活动的增强。

VTA多巴胺神经元的一个已知角色是编码奖励预测误差。有趣的是，对于opposite-stim的长时间脉冲刺激也导致在变化奖励位置任务中显著的超越表现。这种位置无关的效应表明，增强是独立于奖励预测信号，仅依赖于VTA多巴胺输入的激活。

▲ 海马对VTA多巴胺能轴突突发性刺激的反应多样性

最后，为了研究分离刺激持续时间对海马活动的影响，研究团队通过在体光遗传光学记录检查了VTA多巴胺神经元轴突兴奋对在开放场地中自由漫游的DAT^VTA小鼠海马CA1锥体细胞活动的影响，从而消除与任务相关的混淆因素。

将含有CaMKIIα启动子构建的编码GCaMP6f的腺相关病毒（AAV）载体注射到背侧海马CA1锥体细胞中。在整个180秒的刺激期间，长时间脉冲模式的兴奋水平始终比1秒的pre-stimulation水平高。相反，在先前的研究中通常使用的短时间脉冲模式产生了一个不太稳定的效应。与短时间刺激相比，长时间脉冲刺激的响应次数显著高于预定阈值水平。为了分析相应的行为输出，根据它们的速度将行为分为三组：行走、静止和微动。这些行为时期的分布没有显著差异。大多数事件涉及行走；因此，研究人员进一步分析了行走的持续时间，并发现长时间脉冲模式延长了行走的持续时间。对于短时间和长时间脉冲刺激引起的钙信号，在所有检测的时间窗口中存在显著差异。

为了具体衡量多巴胺活动，研究者使用了一个在人类突触素启动子下编码GRABDA2h传感器的AAV载体，并瞄准了背侧海马CA1。与锥体细胞活动不同，短时间和长时间脉冲模式的多巴胺响应的兴奋水平在整个180秒的刺激期间始终高于1秒的pre-stimulation期间的水平。对于长时间脉冲刺激引起的响应超过预定阈值的次数与短时间刺激相比并没有显著差异。对于由短时间和长时间脉冲引起的多巴胺信号，在刺激期间存在显著差异，但在刺激后没有显著差异。

这项研究解析了来自VTA的多巴胺输入到海马的情况，重点关注了空间目标的持久性和适应性。具有VTA多巴胺损伤的小鼠在一个具有动态奖励位置的圆形迷宫中难以找到和更新已学到的奖励位置，强调了VTA多巴胺神经元在空间记忆的持久性和适应性中的重要性。此外，即使在选择性阻断海马背侧的多巴胺受体时，这些缺陷也伴随着运动障碍或动机丧失。在海马背侧内刺激VTA多巴胺轴突增强了小鼠适应不断变化的奖励位置的能力。这些发现为多巴胺输入在海马内对空间目标适应的贡献提供了见解。

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