嗅球背侧区多模态神经元群体编码机制揭示先天恐惧行为的神经基础

本研究通过活体钙成像和多电极记录技术，揭示了嗅球背侧区(dOB)僧帽/丛状细胞(M/T cells)在先天恐惧气味(如nTMT)刺激下呈现增强、抑制和无反应三种放电模式，发现抑制反应神经元编码主动回避行为，而增强与抑制反应神经元共同编码被动冻结行为。研究首次阐明细胞周期蛋白依赖性激酶5(Cdk5)通过调控M/T细胞放电频率参与恐惧行为编码，为理解恐惧行为的神经环路机制提供了新视角。

　　

在自然界中，动物对捕食者气味的快速识别与恐惧反应关乎生死存亡。狐狸粪便中的关键成分2,4,5-三甲基噻唑(nTMT)能触发小鼠典型的先天恐惧行为——包括主动逃离的回避行为和僵直不动的冻结反应。尽管已知嗅觉系统在恐惧行为中起关键作用，但作为嗅觉信息传递的第一站，嗅球背侧区(dorsal olfactory bulb, dOB)的输出神经元——僧帽细胞(mitral cells)和丛状细胞(tufted cells)统称为M/T细胞——如何编码这些截然不同的恐惧行为，其分子机制仍是未解之谜。

为破解这一难题，南京医科大学的研究团队在《Cell Reports》发表创新性研究。他们巧妙结合3D行为追踪、在体多通道电生理记录和微型显微镜钙成像技术，首次揭示了dOB区M/T细胞通过三种放电模式动态编码恐惧行为：在nTMT刺激下，27.18%神经元表现为增强放电，60.19%呈现抑制反应，12.62%无显著变化。更引人注目的是，这些模式与特定恐惧行为存在精准对应关系——抑制反应的M/T细胞专门编码主动回避行为，而增强与抑制反应的神经元则协同调控被动冻结状态。

研究采用的关键技术包括：1) 32通道多电极阵列记录自由活动小鼠dOB区M/T细胞的单单位放电活动；2) 通过AAV病毒介导的GCaMP6f钙成像技术实现细胞特异性活动监测；3) 基于CCK-Cre小鼠的光遗传学干预验证神经元功能；4) 三维行为图谱系统(Behavior Atlas Capture)量化恐惧行为参数；5) 单细胞转录组分析揭示Cdk5在M/T细胞亚群的表达特征。

研究结果部分呈现了系列重要发现：

"nTMT诱导dOB区M/T细胞的不同反应模式"

通过电生理记录和钙成像，研究人员捕捉到nTMT刺激下M/T细胞的三类放电模式。有趣的是，虽然单神经元活动变化显著，但群体平均放电率(MFR)在行为初期2秒内保持稳定，提示恐惧编码依赖于特定神经元亚群的协同活动而非整体放电强度变化。

"解码dOB区M/T细胞群体活动"

采用高斯过程因子分析(GPFA)和k最近邻算法(KNN)解码发现，抑制反应神经元的群体活动轨迹变化与回避行为高度相关，其解码效率(auROC=0.89)显著优于增强反应神经元。

"被动冻结期间的群体动力学"

当小鼠从非冻结状态转为冻结时，抑制反应神经元的MFR显著降低，而增强反应神经元保持稳定。群体解码显示两类神经元共同参与冻结编码，但贡献时序不同——抑制反应主导前1秒，增强反应影响后1秒活动。

"Cdk5缺陷损害先天恐惧反应"

通过条件性敲除M/T细胞的Cdk5基因，研究者发现：1) 回避指数下降41.7%，冻结时间减少53.2%；2) 抑制反应神经元比例从60.19%降至42.86%；3) 群体放电频率普遍降低。单细胞转录组进一步证实Cdk5在嗅觉剥夺后显著上调，提示其参与神经可塑性调节。

"光遗传学干预验证机制"

激活Olfr1019⁺嗅觉神经元在dOB的投射末端，可特异性增强nTMT和4MT诱导的冻结行为，但不影响回避反应，证实不同恐惧行为存在分离的神经编码通路。

这项研究的重要意义在于：首次绘制了dOB区M/T细胞的多模态编码图谱，阐明特定神经元亚群通过差异化放电模式分别调控回避与冻结行为。发现Cdk5作为关键分子开关，通过调节神经元内在兴奋性参与恐惧编码，为焦虑障碍、创伤后应激综合征等疾病的神经机制研究提供了新靶点。技术层面，研究建立的自由行为下神经元群体动态解析方法，为研究复杂行为的神经基础设立了新范式。

未来研究可进一步探索：1) 僧帽细胞与丛状细胞在恐惧编码中的功能异质性；2) Cdk5下游信号通路如何精确调控神经元放电；3) 该编码机制在病理性恐惧泛化中的作用。这些发现不仅深化了对本能行为神经回路的认识，也为开发靶向嗅觉-恐惧环路的精神疾病干预策略奠定了理论基础。