前边缘皮层神经元集群快速形成介导雄性和雌性大鼠可卡因寻求行为的初始与持续表达

本研究发现前边缘皮层（PL）通过TRAP2（Targeted Recombination in Active Populations）技术标记的神经元集群，在可卡因自我给药行为获得期被快速招募，并持续介导长期训练后的药物寻求行为。该研究揭示了神经元集群的稳定性及其对下游伏隔核核心区（NAcCore）的环路招募机制，为物质使用障碍（SUD）的神经编码机制提供了重要见解。

　　

Highlights

• 前边缘皮层（PL）神经元集群在行为获得期间被快速招募并介导可卡因寻求

• 行为获得期形成的神经元集群在长期训练后仍保持功能相关性

• PL集群通过招募伏隔核核心区（NAcCore）和壳区（NAcShell）形成环路连接

Introduction

物质使用障碍（SUD）被认为部分源于滥用药物反复使用导致的大脑适应性不良变化。过去四十年间，SUD的啮齿类动物模型极大增强了我们对参与该疾病的神经元群体的理解。啮齿类自我给药任务本质上涉及多种学习形式，包括经典条件反射和操作式条件反射，因此极大促进了我们对学习神经生物学的认知。最近，学习领域的研究焦点已转向被称为神经元集群（neuronal ensembles）的微小神经元亚群——这些在获得学习经验期间被招募的细胞群体能够解释复杂行为（Cruz et al., 2013; Josselyn and Tonegawa, 2020）。集群特异性技术揭示，同一脑区内不同集群可介导多种行为输出。例如，恐惧辨别和泛化与海马体内的不同集群相关（Sun et al., 2020）。类似地，食物和可卡因的寻求与消退均由腹内侧前额叶皮层（vmPFC）内的不同集群介导（Warren et al., 2019, 2016）。这些并非先天负责特定结果的预定环路，而是对线索、情境和强化物敏感的各种神经元通过同步重复激活，编码特定经验和结果。与这一假说一致，神经元兴奋性已被证明 predisposes 神经元招募至功能集群（Han et al., 2007）。但关于集群形成与稳定性仍存在若干重要未解问题。

目前尚不清楚集群一旦形成是否会保持稳定并与相关行为持续关联，抑或会被新的突触连接修剪替代。有研究显示集群会在数天内更替（Cho et al., 2021），而其他研究表明集群可长期保持稳定与行为相关性（Bobadilla et al., 2020; Warren et al., 2019, 2016）。为化解这一矛盾，我们建立了明确的行为时间点来标记神经元集群，以便后续操控，从而判定这些初始集群是否保持功能相关性。我们由此制定了行为获得的定义标准：大鼠表现出稳定任务执行能力、明确寻求强化物的动机和准确的杠杆辨别能力。该标准旨在捕捉学习过程中的关键时刻，并为标记集群提供可重复的时间点——我们前期工作表明，内侧前额叶皮层（mPFC）集群可介导食物、奥施康定和可卡因的寻求（Gobin et al., 2022; Quintana-Feliciano et al., 2021; Sortman et al., 2022），伏隔核核心区（NAcCore）集群介导可卡因寻求（Sortman et al., 2024）。由于我们已证实靶向达到获得标准的集群能有效干扰相关行为，我们希望探究这些集群在额外训练后是否仍保持功能相关性。

我们设计以下实验行为学探究集群更替问题。采用双病毒策略——活跃群体靶向重组（TRAP）（Guenthner et al., 2013）。该技术利用即刻早期基因c-Fos的活性依赖性特性，以及Cre依赖性病毒（如抑制性DREADDs）通过Cre^ERT2在特定时间点被激活的特性。病毒工具表达需满足两个条件：第一，神经元激活及Cre^ERT2表达；第二，注射4-羟基他莫昔芬（4-OHT）以促进Cre依赖性病毒的重组。该技术让我们能永久标记达到获得标准时激活的集群，并在大鼠经历额外训练后抑制该集群。由此可直接检验获得集群在额外训练后是否保持功能相关性，抑或被新集群替代。若抑制获得集群对后续训练后的行为无影响，则提示集群更替；反之若抑制破坏行为，则表明集群保持功能相关性。

我们还研究了学习如何塑造PL与NAc之间假定集群环路的招募。虽然PL至NAcCore环路在复吸模型中驱动可卡因寻求已被证实（McFarland and Kalivas, 2001），我们的实验不包含专门的消退学习阶段。尽管如此，前期工作表明即使无消退学习，PL集群在大鼠达到获得标准后仍具行为相关性（Sortman et al., 2022）。因此我们假设可卡因自我给药行为的获得同样会招募PL-NAc集群环路。

结合获得标准与TRAP病毒，我们提出：初始PL获得集群是否为未经后续训练的可卡因寻求所必需？初始PL获得集群是否在后续训练后仍为可卡因寻求所必需？最后，驱动可卡因寻求的PL至NAcCore环路是否依赖于可卡因自我给药行为的成功获得？