编辑推荐：
为解决神经精神疾病中行为灵活性缺陷的机制问题，美国国家药物滥用研究所的研究人员开展 mPFC-NAc 通路对行为灵活性影响的研究。结果发现该通路激活可改善行为灵活性。推荐阅读，助您了解前沿神经科学成果。
美国国家药物滥用研究所神经影像学研究分支（Neuroimaging Research Branch, National Institute on Drug Abuse）的研究人员 Ying Duan、Zilu Ma、Pei-Jung Tsai 等在《Neuropsychopharmacology》期刊上发表了题为 “Frontostriatal regulation of brain circuits contributes to flexible decision making” 的论文。这篇论文在神经精神药理学领域意义重大，为深入理解大脑神经回路对行为灵活性的调控机制提供了关键依据，有望为治疗多种神经精神疾病中存在的行为灵活性缺陷开辟新的方向。
研究背景
认知灵活性（Cognitive flexibility）指的是个体根据环境变化做出适当行为调整的能力。在许多神经系统疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病）以及精神疾病（如自闭症、精神分裂症）中，患者常常表现出认知灵活性的缺陷。目前针对这些脑部疾病的治疗手段效果有限，因此，揭示支撑认知灵活性及其失调的神经回路，对于挖掘这些疾病共同的神经生物学机制至关重要，可能会带来新的治疗方法。
灵活性作为一种执行功能，涉及在多个任务或行为需求之间进行切换的能力。在人类研究中，威斯康星卡片分类任务（Wisconsin Card Sorting Task，WCST）常被用于测量认知灵活性；在临床前模型中，则常用定势转换任务（set - shifting tasks）。大量研究表明，额叶皮层损伤以及基底神经节和丘脑的皮质下损伤，都会导致认知灵活性受损。神经影像学研究也发现，WCST 任务的表现与多个大脑网络（如执行控制网络、默认模式网络和突显网络）存在关联。然而，虽然大规模大脑网络与认知灵活性的关系已较为明确，但要开发有效的治疗干预措施，还需要更深入地了解特定神经回路如何影响大脑网络，进而驱动行为结果。在局部回路层面，已有动物研究显示，内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）或其与伏隔核（nucleus accumbens，NAc）的皮质下连接失活，会破坏定势转换任务中的行为灵活性。但 mPFC - NAc 通路如何与其他大脑网络相互作用来改变行为，目前仍知之甚少。本研究旨在明确 mPFC - NAc 通路激活对全脑活动和功能连接的影响，为治疗行为灵活性缺陷提供潜在的干预方向。
研究方法
- 实验动物：研究选用了 78 只成年雄性 Sprague - Dawley 大鼠（300 - 360g），选择雄性大鼠是考虑到大鼠大脑解剖结构和功能连接存在性别差异，以及卵巢激素波动对功能连接的影响，这些因素可能会使实验设计变得复杂。大鼠在手术前每笼两只饲养，手术后单独饲养，处于 12 小时光照、12 小时黑暗的反向循环中，自由进食和饮水。所有实验程序均遵循 NIH《实验动物护理和使用指南》（第 8 版），并获得 NIDA 动物护理和使用委员会的批准。在数据分析阶段，由于套管错位、头帽松动 / 脑损伤或行为实验中未达到训练标准等原因，12 只大鼠被排除在外。最终，46 只大鼠仅用于行为实验，20 只大鼠同时用于行为和 MRI 实验。
- 实验药物：氯氮平 - N - 氧化物（Clozapine - N - oxide，CNO）溶解于含 0.5% DMSO 的 0.9% 生理盐水中，以 1mM 的浓度、0.5μL / 侧的剂量双侧注入 NAc；对照组使用含 0.5% DMSO 的生理盐水（Vehicle，VEH）。Feraheme（15mg/kg）通过尾静脉注射作为对比剂。
- 实验流程：大鼠双侧 mPFC 注射表达兴奋性 DREADD hM3Dq 的腺相关病毒（adeno - associated virus，AAV）或绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）作为对照，随后在 NAc 上方 1mm 处植入套管。恢复 2 周后，大鼠依次进行预训练、视觉线索任务（Visual - Cue Task，VCT）、反应辨别任务（Response Discrimination Task，RDT）以及 MRI 扫描。
- 预训练：大鼠进行固定比率 1（FR1）的训练，每天 2 次，每次 90 次试验，持续 5 天。每次试验持续 20s，从室内灯亮起开始，10s 内做出反应可获得食物奖励。
- VCT：同时呈现两个杠杆，大鼠需在 10s 内按下带有亮灯提示的杠杆以获得食物奖励，直到连续 8 次正确反应或完成 200 次试验，若两次试验内未达到标准则被排除。
- RDT：大鼠需按下与预定偏好侧相反的杠杆，无视提示灯，直到连续 10 次正确反应或完成 200 次试验。
- MRI 实验：按照既定方案，使用 2.5% 异氟醚和右美托咪定（0.015mg/kg，皮下注射）诱导麻醉，成像时使用 0.75 - 0.5% 异氟醚和右美托咪定（0.015mg/kg/h，皮下注射）维持麻醉。结构成像采用 T2 加权快速采集弛豫增强序列，功能成像采用单次梯度回波 EPI。先进行基线扫描，然后注射 VEH 或 CNO，20 分钟延迟后进行 3 次 10 分钟的注射后扫描。对于脑血容量（cerebral blood volume，CBV）成像，使用多梯度回波（MGE）序列采集注射对比剂前后的扫描图像。
- 统计分析：行为数据中，预训练数据采用重复测量方差分析比较不同阶段和组间差异；VCT 训练数据采用非配对 t 检验比较组间差异；RDT 数据采用双向方差分析，以 GROUP（对照组、hM3Dq 组）作为组间因素，TREATMENT（VEH、CNO）作为组内因素，随后进行 Bonferroni 事后检验，设定统计学显著性水平为 p < 0.05。CBV 数据分析时，使用基于 MATLAB 的处理流程，通过体素 t 检验比较 hM3Dq 组或对照组中 CNO 和 VEH 注射后的 CBV 水平差异，并使用蒙特卡罗模拟进行多重比较校正。功能连接数据分析时，先对数据进行常规预处理，包括失真校正、颅骨剥离、运动校正等，然后基于种子点的功能连接图进行线性混合效应模型方差分析，以 GROUP、SESSION（基线、注射后）和 TREATMENT 作为因素，使用蒙特卡罗模拟进行全脑多重比较校正。最后，通过主成分分析（PCA）和 K - 均值聚类确定不同网络，并计算各网络平均功能连接与定势转换行为（达到标准的试验次数）之间的相关性，使用 Bonferroni 方法进行多重比较校正。
研究结果
- mPFC - NAc 投射的激活促进定势转换行为并增加基底神经节 - 丘脑 - 皮质环路的神经活动：在学习的不同阶段，对兴奋性 DREADD（hM3Dq）组和对照组的行为差异进行检查。预训练阶段，两组无显著差异；VCT 训练阶段，两组达到标准的总试验次数也无显著差异，表明两组学习能力相似。在转换到 RDT 的当天，向 NAc 注射 CNO 或 VEH 20 分钟后进行测试，结果显示，mPFC - NAc 激活（hM3Dq - CNO）显著减少了达到标准所需的总试验次数，增加了正确试验的百分比，减少了错误试验的数量，尤其显著降低了持续性错误的数量，但对回归性错误和未强化错误无影响。这表明 mPFC - NAc 激活促进了从 VCT 到 RDT 的策略转换，且该通路参与的是定势转换过程，而非初始辨别学习。通过检测 hM3Dq 表达和 c - Fos 表达，验证了实验方法的有效性。此外，检测 CBV 发现，在表达 mPFC hM3Dq 的组中，向 NAc 注射 CNO 显著增加了纹状体以及多个皮质区域（如眶额叶皮层、mPFC 等）、丘脑、下丘脑、海马和上丘的神经活动。
- mPFC - NAc 通路的激活降低了 NAc 与 mPFC 和 M2 的功能连接：以 NAc 为种子点分析功能连接变化，发现 GROUP × SESSION × TREATMENT 方差分析显示，NAc 与 mPFC、M2 等脑区的功能连接存在显著的三向交互作用。进一步分析发现，注射后，NAc 与 M2、mPFC 和感觉皮层的功能连接在 hM3Dq 组中，CNO 注射显著降低了 NAc - M2 和 NAc - mPFC 的功能连接强度，而对照组无此变化。并且，NAc - mPFC 和 NAc - M2 电路的功能连接与达到标准的总试验次数呈正相关，说明这些电路连接强度在一定程度上影响定势转换行为。
- mPFC - NAc 通路的激活降低了 mPFC 相关电路的功能连接强度：以显著的 mPFC 区域为种子点进行全脑体素功能连接方差分析，发现 mPFC 与多个皮质和纹状体区域的功能连接存在显著的 GROUP × SESSION × TREATMENT 交互作用。注射后，mPFC - NAc 通路激活降低了 mPFC 与额叶联合皮层、眶额叶皮层等多个区域的功能连接。通过 PCA 分析，这些功能连接数据可分为两个主成分，mPFC 相关电路的负载可聚类为三个 “网络”，但这些网络的功能连接与定势转换行为无显著相关性。
- mPFC - NAc 通路的激活降低了 M2 相关电路的功能连接强度：以显著的 M2 区域为种子点进行全脑功能连接分析，发现 M2 与多个皮质和纹状体区域的功能连接存在显著的 GROUP × SESSION × TREATMENT 交互作用。注射后，M2 与眶额叶皮层、岛叶等多个区域的功能连接在 hM3Dq 组中，CNO 注射显著降低了这些连接强度，而对照组无此变化。PCA 分析这些功能连接数据得到一个主成分，M2 相关电路的负载可聚类为两个 “网络”，其中网络 1 的功能连接与达到标准的试验次数和总错误试验次数显著相关，表明网络 1 中的这些电路可能共同作用，帮助调节定势转换行为。
研究结论与讨论
本研究通过化学遗传学工具结合行为学和 fMRI 测量，发现 mPFC - NAc 通路激活可增强行为灵活性，具体表现为减少持续性错误，同时降低了前额纹状体和其他皮质回路的功能连接。这一发现揭示了前额纹状体通路激活对行为灵活性的因果效应，为理解大脑神经回路如何调控行为灵活性提供了新的视角，对未来治疗行为灵活性缺陷具有重要的指导意义。
在行为灵活性机制方面，mPFC - NAc 通路参与定势转换更新主要是通过抑制旧规则实现的。通过分析定势转换任务中的不同错误类型可知，mPFC - NAc 通路激活选择性地减少了持续性错误，表明其改善灵活行为的机制是抑制旧的决策模式。但研究未考察该通路对从 RDT 到 VCT 策略的影响，未来研究可调整预训练和初始反应辨别协议，确保不同策略间难度相当。
从功能连接角度来看，mPFC - NAc 通路激活降低了 NAc 与 mPFC、M2 及相关皮质回路的功能连接。这一现象与其他研究中化学遗传学激活体感皮层导致其与单突触连接的皮质区域功能连接降低的结果一致。较高的 NAc - mPFC 功能连接与较差的灵活性表现相关，同时 NAc - M2 电路也与行为灵活性有关，不过 M2 参与灵活性的调节回路机制仍有待进一步研究。
在皮质网络对行为灵活性的贡献方面，研究发现只有 M2 相关电路中的网络 1 与定势转换行为显著相关，反映了 M2 与其他皮质区域相互作用参与高级执行功能的作用。而 mPFC 和 M2 相关电路中包含多个感觉区域的网络功能连接与行为灵活性无关，这与传统假设中 mPFC 通过介导感觉运动处理的自上而下控制参与定势转换任务有所不同，可能 mPFC 在编码反馈信息方面起关键作用，而非调节感觉运动反应。
研究也存在一定的方法学考虑和局限性。mPFC - NAc 通路激活增加了基底神经节 - 丘脑 - 皮质网络的神经活动，但刺激 NAc 末端可能会诱导逆向活动，使 mPFC 神经元活动增加，因此皮质活动的变化是直接由 NAc 激活引起，还是通过基底神经节 - 丘脑 - 皮质通路间接介导，尚不明确。此外，不同研究在 DREADD 操纵后功能连接的结果存在差异，除了操纵区域或通路不同外，麻醉方法的差异也可能是原因之一。本研究采用 0.5% 异氟醚联合低剂量右美托咪定的麻醉方案，虽能观察到 DREADD 激活诱导的功能连接变化，但在解释麻醉状态下 fMRI 数据与行为结果的关系时仍需谨慎。未来采用清醒状态下的 fMRI 实验方案，将有助于验证和扩展当前的研究结果。
总的来说，该研究为神经精神药理学领域对行为灵活性的研究提供了重要的理论依据和实验基础，尽管存在一些有待进一步探索的问题，但无疑为后续研究指明了方向，有望推动针对行为灵活性缺陷的治疗干预措施的发展。
