杏仁核是位于大脑颞叶背内侧部的脑区，被广泛认为是处理感觉信息和调节情绪的中心。近年来，杏仁核如何调控惩罚和奖赏相关的学习记忆，受到大量研究关注。今日，美国冷泉港实验室李波研究小组在《自然》（Nature）在线发表研究论文，揭示了大脑中央杏仁核在学习记忆中的新机制。这一研究成果创新性地展示了中央杏仁核对于不同外部刺激的响应特征，以及其在学习记忆中的作用，并阐释了其参与学习记忆的机制。

　　杏仁核一度被认为是大脑的恐惧情绪中心，其中的中央杏仁核（Central Amygdala, CeA）对于在遭受情绪相关刺激（尤其是恐惧条件反射）时产生响应至关重要。但近些年的一些研究表明，中央杏仁核不仅与恐惧刺激相关，也可以被奖励性的刺激激活。

　　那么，CeA是如何处理不同甚至看似相反的情绪相关刺激，并且影响动物行为的？

　　对此，一类猜想是，CeA神经元普遍参与常见的认知任务，例如注意力和动机，因此在处理各种刺激时都起到重要作用；另一种针锋相对的假说是，CeA或许拥有功能不同的神经元亚群及神经环路，它们选择性地响应不同的外部刺激。

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　　针对这一问题，李波研究小组选择对CeA中的生长素抑制素（somatostatin, Sst）神经元进行研究。Sst CeA神经元表达神经肽——生长素抑制素，是CeA中最大的基因标记神经元群体。

　　为了辨别可能存在的神经元亚群，研究需要对神经元进行单细胞分辨率的描述。为此，研究小组使用自建的宽场显微成像系统，对小鼠活体的Sst CeA神经元进行钙离子信号成像，系统性测试了神经元对于不同奖赏或惩罚性刺激的活动响应，包括水、甜水、奎宁（苦水）、食物、电击等。实验结果表明，多数Sst CeA神经元活动具有很强的选择性，优先对某种特定的刺激表现出兴奋性活动而非抑制性活动，并且这种兴奋性神经信号会随着刺激强度的提升而增强。

　　为进一步了解Sst CeA神经元在记忆学习中的功能，研究小组通过一系列实验对小鼠进行了学习训练，训练小鼠在听到特定声音（一种条件性刺激）时通过舔水管来获得相应的奖赏；而另一些特定的声音则对应着电击或苦水惩罚。这里的奖赏与惩罚属于非条件性刺激。同时，研究小组通过钙离子信号成像监测不同的任务学习中Sst CeA神经元活动变化情况。

　　实验结果表明，学习过程改变了Sst CeA神经元的活动。学习训练引起了神经元对于条件性刺激的兴奋性活动，并且这些神经信号也具有很强的选择性，与特定的非条件性刺激耦合，由不同的神经元进行响应。此外，大多数Sst CeA神经元依然选择性地对非条件刺激形成兴奋性活动，并且学习过程中兴奋性神经元的数目显著增加。

▲学习训练引起了神经元对于条件性刺激的特异性兴奋性活动（图片来源：参考资料[1]）

　　由此，研究小组猜想，在学习过程中，Sst CeA神经元参与了对非条件性刺激的评估。随后，研究小组利用光遗传学方法进行了验证。在小鼠学习训练过程中，他们借助光遗传学工具抑制了Sst CeA神经元活动。实验结果表明，神经元编码的非条件性刺激信息，不仅参与到奖赏学习中，而且也参与到惩罚学习中。在学习过程中，人为降低非条件性刺激神经信号将会减缓小鼠对奖赏及惩罚的学习进度。

　　最后，研究小组探究了Sst CeA神经元参与学习记忆中的可能神经环路。通过使用神经元追踪技术，他们发现这群神经元投射到下游的多巴胺能神经元区域——黑质致密部（Substantia nigra pars compacta，SNc）和腹侧被盖区（Ventral tegmental area，VTA），并且Sst CeA神经元主要与SNc和VTA中的γ-氨基丁酸能神经元（GABAergic neuron）有单突触连接。

▲小鼠脑部剖面图，上图红色区域为逆行示踪技术在SNc的位点；下图红色区域为VTA的位点（图片来源：李波实验室）

　　接下来，他们使用光遗传学方法激活Sst CeA神经元的同时记录 SNc和VTA的多巴胺能神经元，结果发现Sst CeA神经元的活动可以有效激活多巴胺能神经元。随后，研究小组再次使用单细胞活体成像技术，在抑制Sst CeA神经元的同时对多巴胺能神经元进行成像。这时，奖赏与惩罚学习产生了截然不同的信号。

　　当小鼠接受到水或者糖水奖赏时，抑制Sst CeA神经元会降低多巴胺能神经元的信号；然而当小鼠接受苦水或者电击惩罚时，没有任何影响。这说明Sst CeA神经元与多巴胺能神经元的连接对于奖赏学习必不可少，但在惩罚学习中并不是必需的。最后，研究小组在小鼠学习过程中抑制Sst CeA神经元在SNc的神经末梢，发现Sst CeA-SNc神经环路会减缓奖赏学习而不是惩罚学习。

　　▲Sst CeA神经元可以有效激活多巴胺能神经元并调控奖赏学习（图片来源：参考资料[1]）

　　综上，这一研究拓展了我们对CeA在学习记忆中功能的认识，开创性地阐释了Sst CeA拥有功能上不同的亚群，它们会根据情感、感官和物理属性（例如价值、模式和特性）的不同，对外界刺激进行评估，并且这些评估信号在学习记忆中有着重要作用。特别是对Sst CeA神经元与多巴胺能神经元之间关系的系统性研究，阐明了Sst CeA神经元通过调控SNc/VTA多巴胺能神经元的活动选择性地影响奖赏学习的机制。

　　美国冷泉港实验室李波教授与博士后杨涛为本文的共同通讯作者，博士后杨涛和余凯为文章的共同第一作者。参与该工作的还有博士后张县（现香港科技大学助理教授），博士后肖雄（现中科院神经所研究员），陈晓科教授（美国斯坦福大学）和傅玉教授（新加坡科技研究局）。

　　参考资料：

　　[1] T. Yang, K. Yu et al., Plastic and stimulus-specific coding of salient events in the central amygdala, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05910-2