基于视觉的先天恐惧反应持续性特征的神经机制研究

Mission: To figure out the neural circuit and regulating mechanism of the persistence of visually evoked innate fear responses. We take wild type mice and cholinergic specific Chat-Cre transgenic mice as the research object, and integrate multidisciplinary techniques like cell specific optogenetics/pharmacogenetics, in vivo multi-channel electrophysiological recording and calcium fluorescence detection in behaving mice, animal behavior tests, optogenetics combined patch clamp and single cell sequencing to : 1) find the critical nucleus and specific neuronal population underlying the neural basis of persistent fear responses, drawing the neural circuits based on the structure and function and try to identify the biomarker of the key sub-type neurons maintaining the persistent innate fear response; 2) understand the machanism of the adaptation to repeating fearful stimuli through the research on how the higher cortex regulates the subcortical structures by top-down modulation. The implementation of this project will in-depth analyse the neural mechanism of visually evoked innate fear responses and its important role to keep individual survival, and understand abnormal neural circuits of fear emotion processing in the mental disorders, and also provide possible therapeutic targets for those diseases, so this project has important scientific and clinical significances.

目标：解析基于视觉的先天恐惧反应持续性特征（persistence）的神经机制。为此，本项目以普通小鼠和胆碱能特异的Chat-Cre转基因小鼠为研究对象，整合光遗传学/药物遗传学细胞特异性神经环路调控、活动动物在体电生理记录及钙离子荧光检测、动物行为学测试、光电联合的膜片钳电生理及单细胞测序等多学科交叉技术来研究：1）从结构和功能上探究维持基于视觉的先天恐惧反应持续性特征的相关核团和神经环路，初步鉴定维持持续性恐惧反应的关键神经元亚型；2）通过探讨高级皮层对皮层下结构自上而下的神经调控机制来理解动物如何对重复恐惧刺激产生适应性，进而改变恐惧反应的持续时间。本项目的实施将深入解析基于视觉的先天恐惧反应的神经机制，及其对物种生存的重要作用；为理解精神疾病中恐惧情感信息处理异常的神经环路机制提供重要线索和依据，有望为其在神经回路层面上提供新的治疗靶点，具有重要的科学和临床意义。

在本项目的支持下，我们完成了各项既定目标。围绕视觉诱发本能恐惧反应的神经环路调控机制，发表SCI论文一篇，申请国家发明专利三项。以小鼠为研究对象，本项目：. （1）发现了视觉诱发的本能恐惧反应中持续性冻结行为依赖杏仁核的毒蕈碱型胆碱能受体（muscarinic cholinergic receptor）的功能，阻断此受体，冻结行为的持续时间显著下降；而阻断杏仁核中尼古丁型胆碱能受体（nicotinic cholinergic receptor）的功能可以消除动物对危险刺激的快速适应，在多次刺激上丘-后外侧丘脑（即丘脑枕，LP）皮层下通路后仍保有较高水平的持续性冻结行为。. （2）发现了上丘中两类投射向LP的神经元亚类并执行不同的功能。一类是广泛认可的Ntsr1阳性神经元，与sweep刺激密切相关，激活Ntsr1::SC-LP通路可以产生刺激依赖的短时冻结反应，并可能提高动物的警觉状态，增强对外界危险刺激的反应强度；另一类是我们新发现的Tac1阳性神经元，与looming刺激关联紧密，Tac1::SC-LP通路对原地持续性冻结反应是充分和必要的，而在维持这种防御状态下会抑制对其他的外界危险刺激的响应。. （3）发现了本能行为虽然相对保守，但是其复杂性和多变性可以被个体经验、环境因素及内在状态所调控。我们采用对动物进行温柔体感抚触的行为范式及在体光纤记录、基于cfos表达的理论分析和神经化学逆向标记证明：长期的舒适抚触减弱了动物对危险视觉刺激的本能恐惧反应强度及上丘中深层神经元的活跃水平，并且通过改变大脑网络状态来应对视觉本能恐惧的反应，而上丘中深层处于连接感觉输入以及本能恐惧神经网络的“节点”，接受广泛的来自皮层、丘脑、下丘脑、脑干以及自主神经系统等的连接。. 以上对于恐惧反应的维持和调控成果有望为进一步解析包括恐惧情绪在内的物种繁衍生存的基本神经通路特征和神经精神疾病（如恐惧、焦虑和创伤后应激障碍等）的发生干预机制提供新的研究思路，进而为研发新的治疗策略和治疗靶点奠定理论基础。