Nature背靠背:社會等級再現(xiàn)頂刊！皮層神經(jīng)元編碼等級結(jié)構(gòu)信息，驅(qū)動社會競爭行為

胡丹_不鳴則已 2022-04-09

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大多數(shù)社會物種通過競爭性互動作用形成穩(wěn)定的社會等級結(jié)構(gòu)，這對群體的行為有深遠的影響：等級越高的動物獲得更多的食物、領(lǐng)地和配偶。動物研究表明前額葉皮層（mPFC）和前扣帶皮層（ACC）在建立社會等級中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2022年3月16日美國加州索爾克生物研究所Kay M. Tye團隊揭示了mPFC投射到下丘腦的神經(jīng)環(huán)路實現(xiàn)從上到下調(diào)控社會等級行為，文章發(fā)表在Nature雜志上。

圖1:社會等級相關(guān)的競爭獎賞行為模型

研究人員設(shè)計了一個競爭性獎賞行為實驗，首先通過鉆管實驗篩選出優(yōu)勢地位和劣勢地位小鼠，分別單獨訓練小鼠給與聲音線索后按壓杠桿獲得糖水獎勵。將優(yōu)勢地位和劣勢地位小鼠放在一起后競爭獲得獎賞（圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢地位小鼠獲得更多的糖水獎賞，在與劣勢地位的競爭中獲得更多的勝利。

為了觀察在上述實驗過程中小鼠的行為學和mPFC腦區(qū)神經(jīng)元活動，他們基于深度學習算法開發(fā)了AlphaTracker追蹤系統(tǒng)同時記錄多只小鼠復雜的活動軌跡，并埋置無線光纖記錄神經(jīng)元活動，通過數(shù)學模型分析發(fā)現(xiàn)mPFC腦區(qū)神經(jīng)元可編碼不同社會等級小鼠的行為活動，處于相對劣勢地位小鼠在競爭行為中mPFC腦區(qū)神經(jīng)元群體活動表現(xiàn)出較大的階段性變化。

進一步發(fā)現(xiàn)mPFC腦區(qū)神經(jīng)元在編碼社會等級信息比競爭成功的信息更為準確。更有意思的是，mPFC腦區(qū)神經(jīng)元可通過預測相對和絕對社會等級地位實現(xiàn)在競爭行為中成功的預測。

然而在編碼社會等級和競爭成功行為中mPFC腦區(qū)神經(jīng)元群體活動是動態(tài)變化的，但也是相對穩(wěn)定的：與單獨訓練聽到聲音相比，在競爭行為中處于劣勢地位的小鼠神經(jīng)元活動變化較大，但是在優(yōu)勢地位小鼠中幾乎不存在這種差異。

外側(cè)下丘腦（LH）和基底外側(cè)核(BLA)接受來自于mPFC腦區(qū)錐體神經(jīng)元的投射，均均與社會等級行為中。相比于mPFC→BLA神經(jīng)元，在上述競爭行為中mPFC→LH神經(jīng)元興奮性更強。通過光激活mPFC→LH環(huán)路后可促進小鼠獲得更多的勝利，作為調(diào)控社交競爭行為的神經(jīng)環(huán)路。

同一天，Nature雜志刊發(fā)了哈弗大學醫(yī)學院Ziv M. Williams團隊的研究文章，揭示了前扣帶皮層神經(jīng)元編碼社會等級信息，在社會競爭行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖2：自然狀態(tài)下群居競爭行為

小鼠通常習慣群居，并集體覓食，并形成穩(wěn)定的社會等級結(jié)構(gòu)。研究人員利用上述習性，建立自然狀態(tài)下小鼠群體覓食行為模式：同一窩中選擇7只小鼠進行群居，隨后每次任意選擇4只小鼠在固定區(qū)域內(nèi)競爭食物，記錄每次實驗中各小鼠所處的社會等級（圖2）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)擁用絕對優(yōu)勢地位(在大多數(shù)實驗中排名第一)的小鼠更有可能成功競爭獲得食物，而擁有中間等級地位(比如在某個實驗中排名第二，但在另外的實驗中排名第三，甚至第五)的小鼠在遇到優(yōu)勢地位的小鼠后不太可能獲得勝利。

通過單細胞水平上的在體電生理技術(shù)記錄ACC腦區(qū)神經(jīng)元在上述行為中的活性，發(fā)現(xiàn)37%左右的神經(jīng)元與社會等級相關(guān)，這些神經(jīng)元隨著小鼠在每次競爭實驗中的等級的變化而變化，約一半的神經(jīng)元與每次競爭實驗中成功事件相關(guān)，這兩類神經(jīng)元群存在很大的差異，重疊的比例很小。

基于上述實驗，他們發(fā)現(xiàn)了一類能夠預測成功的神經(jīng)元群：在競爭行為之前，這群神經(jīng)元活動受到社會等級的強烈影響，預測競爭成功的概率達到73%。

圖3;化學遺傳學調(diào)控ACC腦區(qū)神經(jīng)元活性

在通過化學遺傳學激活ACC腦區(qū)神經(jīng)元后能夠增強小鼠在鉆管實驗中的社會等級，而在移植該腦區(qū)神經(jīng)元活性后降低小鼠的社會等級。更有意思的是，在上述群居競爭食物中，激活ACC腦區(qū)神經(jīng)元后，即便遇到更強的同伴，劣勢地位的小鼠也會勝利，獲得食物；在抑制其活性后，也打不過較弱的同伴。

總的來說，上述兩篇文章通過不同的行為學實驗均發(fā)現(xiàn)（mPFC和ACC）皮層神經(jīng)元可編碼社會等級信息，并能預測在競爭行為中的勝利，進一步揭示了皮層在調(diào)控社會等級中的工作模式。