2023年09月28日下午，受北京大学李毓龙教授邀请，清华大学医学院生物医学工程系的长聘副教授苑克鑫在北京大学生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“Unraveling the connectivity function and working mechanisms of the auditory forebrain”的精彩报告。
听觉是我们赖以生存的重要感觉系统，听觉信息帮助我们实现了空间定位、交流沟通、音乐赏析等日常生活的重要组成部分。苑克鑫博士实验室长期对感觉系统的大脑实现感兴趣，在今天的报告中系统分享了课题组在听觉相关脑区的连接、功能及工作机制方面的研究进展。苑博士课题组2019年发表的连接组学工作（Cai D. et al., Cerebral Cortex 2019）中较为系统的从解剖学角度描绘了听觉相关脑区，尤其是丘脑部分，具体的结构、连接情况，这为后来研究不同脑区本身的功能及脑区相互之间的调控奠定了基础。在该工作的基础上，课题组发现丘脑Atm脑区与MGBd相比，除了同样具有接收多模态感觉输入的潜力外，还与多个已知在内在状态（如觉醒、情绪、决策）调节中发挥重要作用的脑区（如下丘脑、杏仁核、未定带和基底节等）以及被认为是皮层枢纽之一的颞叶联合皮层区（temporal association cortex, TeA）有很强的相互投射，似乎暗示了ATm很可能是一个重要的丘脑节点，在内在状态的维持以及多模态感觉刺激诱发的内在状态切换中扮演重要角色。基于这一推测，苑博士接下来分享了课题组在《Neuron》发表的最新课题进展（“负责一般性和防御性觉醒控制的通用丘脑枢纽”）（“A common thalamic hub for general and defensive arousal control”1）。重点从“丘脑感觉相关核团可以帮助维持动物的清醒状态；初级丘脑神经元对感觉刺激在不同觉醒状态之间的保守性群体反应；ATm脑区而不是MGBv和dLGN脑区在觉醒状态下的超敏反应；ATm脑区对于听觉、视觉预警对外部刺激诱导的防御行为的表征是必须的”四个方面进行了详细的探讨、分享。
ATm脑区VGluT2+ 神经元自发的活动促进觉醒
首先，课题组对丘脑神经元活动和睡眠-觉醒状态之间的关系进行了研究。在ATm脑区VGluT2+神经元或MGBv神经元中表达GCaMP6m进行钙信号检测，同时记录EEG/EMG活动(图1A ~ 1C)。低振幅、高频(低δ波)EEG表明脑觉醒(BA) 2，可以将大脑睡眠状态分为觉醒、非快速眼动(NREM)睡眠或快速眼动(REM)睡眠。课题组追踪ATm和MGBv在睡眠-觉醒状态下的自发Ca2+动态后发现，与NREM睡眠相比，在觉醒和REM睡眠期间，两个丘脑核内的神经元普遍更活跃(图1D和图1E)。然而，当比较NREM-wake转换前后10 s内Ca2+信号的平均振幅时，ATm的振幅显著增加，而MGBv的振幅没有增加，这可能是由于MGBv神经元在转换后的活动相对不稳定(图1F和1G，左，半透明的粉红色区域;右)。考虑到ATm中的绝大多数VGluT2+神经元是钙视网膜蛋白表达(CR+)神经元3，这些神经元在丘脑背内侧具有觉醒促进作用，并且在NREM-觉醒转换之前也增加了它们的活性4，上述观察结果提示ATm可能是神经网络中促进一般性觉醒的另一个节点。
图二 ATm VGluT2+和MGBv神经元在睡眠-觉醒状态下表现出相似和不同的自发活动模式
ATm脑区VGluT2+ 神经元的激活可以稳健地诱导小鼠觉醒
此后的研究结果中，ATm激活诱导清醒的能力令人印象深刻。当使用光遗传学方法激活ATm神经元时，即使激光强度非常低(1mW)，睡眠中的小鼠也会被立刻唤醒。与之形成鲜明对比的是，即使用高强度激光照射MGBv神经元，也观察不到唤醒效应。具体来说，课题组将Cre依赖表达ChR2的病毒单侧注射到ATm中(图4A和4B，左)，进行光遗传激活。结果显示，即使在激光功率低至1 mW时，ATm激活的激发效应也非常强。NREM睡眠期间的ATm VGluT2+激活引起即刻(潜伏期:约1.7 s)和持久的BA和EMG活动(图4C，左侧和4G，右侧)，有时伴有运动。EEG展示出的δ波(0.5-4 Hz, NREM睡眠强度的衡量指标)在刺激开始后至少持续了40 s(图4C，中间和右边)，分别与NREM睡眠和觉醒概率的稳健减少和增加相关(图4D，左边和右边)。在ATm激活后的绝大多数刺激试验中，课题组都观察到稳健的BA(图4E，绿线)。
图三 ATm脑区VGluT2+ 神经元的激活可以稳健地诱导小鼠觉醒
先天防御行为的表现需要ATm活动的参与
对于ATm的上游，课题组关注到了IC (ICx)脑区，其是听觉中脑的多模态亚区，大量投射到ATm 脑区3。课题组将hSyn-Cre病毒注射到IC (ICx)皮质的外部部分，以便在接受ICx输入的ATm神经元中跨突触表达Cre，并将AAV2/9-CMV-DIO-GFP-2A-TeNT(破伤风毒素)注射到ATm中，通过毒素对SNARE复合体的破坏来阻断表达Cre的ATm神经元释放神经递质(图8A)。此后，对比了在噪声诱导的寻求庇护实验中对照组和TeNT小鼠的行为(图8B)。当噪声对小鼠仍为新鲜时，对照组小鼠以极短的反应时间后便进入掩体中进行躲避 (1.2±0.1 s;图8C，左和8D)。他们的奔跑速度在1.5 s左右达到峰值(图8C、左、图8E)，在掩体中躲避时间约18 s(18.3±0.6 s;图8 f)。与之形成鲜明对比的是，TeNT小鼠对噪声并没有表现出明显的反应。相反，它们大多继续自由活动。尽管在一些试验中，他们回到了避难所，但通常是发生在噪声出现后的至少10秒延迟之后，通过正常步行而不是跑步来完成的(TeNT: 10.2±4.1 s;图8C(右)、8D(右)、8E(右)，他们在避难所停留的时间也会比对照组小鼠更短(TeNT: 5.4±4.3 s;图8 F)。因此，阻断ATm神经元接收来自多模态ICx的听觉输入信号可以阻断噪声引起的寻求庇护行为。
1. Yiwei Wang & Kexin Yuan et al. Neuron (2023)
2. S. Kohtoh et al. Sleep Biol. Rhythms, 6 (2008)
3. D. Cai et al. Cereb. Cortex, 29 (2019)
4. F. Mátyás et al. Nat. Neurosci., 21 (2018),
