前额叶神经元群体活动变化：快速避险学习的神经机制揭秘

为探究前额叶皮层（mPFC）在威胁回避学习中的作用机制，研究人员以小鼠为对象开展平台介导回避（PMA）实验研究。结果发现，学习早期 mPFC 的 PL 亚区群体动力学可预测实验结果，学习稳定后相关神经元受条件刺激强烈调节。该研究揭示了回避学习的神经机制，为相关疾病研究提供思路。

　　在动物的生存之旅中，快速识别并躲避威胁至关重要。想象一下，小鼠在充满潜在危险的环境里，必须迅速学会哪些地方安全，哪些地方危险，才能避免受到伤害。而这一过程背后的神经机制一直是科学家们关注的焦点。此前，虽然知道内侧前额叶皮层（mPFC）的前边缘亚区（PL）在整合学习关联、影响威胁回避策略中起着重要作用，但对于 PL 在回避学习过程中的具体机制，尤其是学习相关变化何时以及如何出现，人们了解得并不多。为了解开这些谜团，来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Current Biology》上。研究人员采用了多种关键技术方法来进行此项研究。首先是利用微型显微镜进行 Ca²⁺成像技术，记录小鼠学习过程中 PL 神经元的活动；其次运用行为视频记录技术，对小鼠在实验中的行为进行详细记录；还使用支持向量机（SVM）对实验结果进行解码分析；以及借助 Rescorla-Wagner（RW）模型来计算小鼠的学习率。通过这些技术，全面且深入地探究了小鼠在威胁回避学习过程中的神经机制。下面来看具体的研究结果：

• 追踪 PMA 过程中 PL 活动的变化：研究人员让小鼠进行平台介导回避（PMA）实验，在实验中，声音提示小鼠前往安全平台以避免遭受足底电击。同时，他们使用微型显微镜记录 PL 神经元的 Ca²⁺活动，并对比了遭受电击和未遭受电击的小鼠。结果发现，在学习过程中，遭受电击的小鼠在平台上停留的时间、成功避开电击的试验比例以及冻结水平都逐渐增加，进入平台的延迟时间则逐渐减少，这些行为与未遭受电击的对照组小鼠有显著差异。
• 学习诱导 PL 神经元混合选择性编码增加：研究人员通过 ROC 分析比较了学习早期（第 1 天）和性能更稳定时（第 2 天）单神经元的编码特性。他们发现，虽然在各个时期，编码 PMA 特征的 PL 神经元总体比例在不同组之间相似，但到第 2 天，遭受电击的小鼠中表现出混合选择性（即编码 PMA 多个特征）的 PL 神经元比例显著增加。进一步研究发现，这种增加是由对声音调制的神经元增加新的编码属性以及未调制的神经元发展出混合选择性编码共同导致的。
• 威胁线索增强对回避行为的编码：在 PMA 实验中，小鼠可以在有或没有即将到来的威胁（声音与声音间隔期）的情况下进入安全位置。研究人员通过量化编码强度发现，在第 1 天，编码平台进入或退出的神经元在声音出现时的调制更强；到第 2 天，遭受电击的小鼠在声音出现时的编码强度进一步增加。这表明，一旦动物学会了 PMA，威胁线索会强烈调制对安全位置进入和退出的编码。
• 群体动力学在学习早期前瞻性地代表试验结果：研究人员训练支持向量机从 PL 活动中解码试验结果，发现使用所有记录神经元时，遭受电击小鼠的解码器性能在电击前和电击期显著高于未遭受电击的对照组小鼠，甚至在声音出现之前，解码性能就已经更好。这说明 PL 活动能够快速形成对威胁情境或恐惧状态的表征，从而预测成功回避行为。
• PL 群体活动状态与个体学习率相关：研究人员通过应用 RW 模型计算小鼠的学习率，并使用降维方法研究 PL 动力学与学习率的关系。他们发现，在第 1 天和第 2 天，声音开始时期的平均欧几里得距离与学习率显著相关，这表明快速出现的不同声音诱导的回避行为表征是学习的关键标志。此外，在第 1 天，第一次回避试验的电击前期，轨迹距离与学习率呈正相关；在第 2 天，第一次电击试验的声音开始时期，轨迹距离与学习率呈负相关。

研究结论表明，在威胁回避学习过程中，PL 神经元群体活动在学习早期就能够预测试验结果，且与个体学习率相关；而单神经元编码的变化大多在新的行为策略稳定后才出现。这些发现揭示了 PL 在快速威胁回避学习中的重要作用机制，为深入理解动物的学习行为以及相关情绪和焦虑障碍的病理机制提供了重要依据，也为未来研究如何精准调控 PL 活动以改善相关行为提供了方向。