内侧前额叶皮层与屏状核互连环路在甲基苯丙胺奖赏记忆中的编码与检索作用

《Nature Communications》：The interconnected wirings between medial prefrontal cortex and claustrum and their governing roles in the methamphetamine reward memory in male mice

本研究揭示了内侧前额叶皮层（mPFC）与屏状核（CL）之间存在半球特异性的双向互连环路，包括自上而下的mPFC-CL通路（主要介导半球间通信）和自下而上的CL-mPFC通路（主要介导半球内通信）。通过病毒示踪、化学遗传学、光遗传学及膜片钳技术，结合甲基苯丙胺（METH）条件性位置偏爱（CPP）模型，发现两条通路均包含直接兴奋性（Glu-Glu）和间接抑制性（Glu-GABA-Glu）投射，且在生理状态下通过GABA能中间神经元产生强前馈抑制（FFI）。METH暴露后，FFI减弱导致mPFCGlu与CLGlu神经元同步激活，其中mPFC-CL通路参与奖赏记忆编码，CL-mPFC通路参与记忆检索。该研究为干预METH成瘾记忆提供了新靶点。

　　

甲基苯丙胺（METH）作为一种高度成瘾性的精神兴奋剂，其滥用已成为全球性公共卫生危机。成瘾的核心机制在于毒品与环境线索间形成的强烈关联性记忆，这种病理性记忆的顽固存续是导致复吸的重要原因。目前，针对成瘾记忆形成的神经环路机制尚不明确，尤其是不同脑区如何协同完成记忆编码与检索的动态过程，仍是领域内的关键科学问题。近年来，内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）与屏状核（claustrum, CL）的互连关系在物质使用障碍中的作用逐渐受到关注，但二者之间的精确环路连接模式及其在毒品奖赏记忆不同阶段的具体功能分工，仍有待系统阐明。

为解决上述问题，南京中医药大学管晓伟教授团队在《Nature Communications》上发表研究，综合运用病毒神经环路示踪技术（包括荧光显微光学切片断层成像fMOST）、光纤光度记录、膜片钳电生理记录、化学遗传学与光遗传学干预，并在雄性小鼠的METH条件性位置偏爱（Conditioned Place Preference, CPP）模型上展开研究。该模型通过将METH注射与特定环境线索配对，成功模拟了毒品关联性记忆的形成（编码）与表达（检索）过程。

关键技术方法

研究的关键技术包括：利用病毒示踪技术（如AAV2/9、AAV2/Retro）解析mPFC与CL之间的投射路径；采用膜片钳技术记录光刺激诱发的兴奋性/抑制性突触后电流（oEPSCs/oIPSCs），验证单突触与双突触连接；通过化学遗传学（hM4D(Gi)/hM3D(Gq）与光遗传学特异性调控特定神经元活性；结合c-Fos免疫荧光标记神经元活动；并在METH CPP行为范式下，于训练期（编码）或测试期（检索）分别干预特定神经通路，以明确其功能。

mPFC与CL之间存在半球特异性的互连环路

研究人员首先通过全脑尺度的病毒示踪发现，mPFC主要发出投射至对侧CL，而CL主要投射至同侧mPFC，提示存在半球不对称的连接模式。进一步通过投射特异性病毒标记发现，在mPFC和CL内部，发出投射的神经元（projecting neurons）与接收输入的神经元（receiving neurons）是两群 largely 不重叠的细胞，且投射神经元主要为谷氨酸能（glutamatergic, Glu），而接收神经元则包含Glu和GABA能（GABAergic）混合群体。

mPFC-CL环路包含直接兴奋与间接抑制两条通路

膜片钳记录结果揭示，无论是自上而下的mPFC-CL通路，还是自下而上的CL-mPFC通路，都存在直接的单突触兴奋性连接和经由局部GABA能中间神经元的双突触抑制性连接。具体而言，激活mPFC^Glu神经元末端，可在CL^Glu神经元上记录到oEPSCs（直接兴奋）和oIPSCs（间接抑制，经由激活CL^GABA神经元抑制CL^Glu神经元）。同样，激活CL^Glu神经元末端，可在mPFC^Glu神经元上记录到oEPSCs和oIPSCs（间接抑制经由mPFC^GABA神经元）。这表明mPFC-CL环路中存在Glu-Glu直接兴奋通路和Glu-GABA-Glu间接抑制通路。

生理状态下环路通过强前馈抑制实现负调控

在体光纤记录发现，在生理条件下，激活mPFC-CL通路会增强CL^GABA神经元活动，同时抑制CL^Glu神经元活动；同样，激活CL-mPFC通路会增强mPFC^GABA神经元活动，同时抑制mPFC^Glu神经元活动。这表明在正常状态下，局部GABA能中间神经元产生的强FFI对Glu神经元活动起到负调控作用，维持环路稳定。

METH CPP模型下前馈抑制减弱导致神经元过度兴奋

在METH CPP测试后，与生理盐水对照组相比，METH组小鼠的mPFC^Glu和CL^Glu神经元兴奋性显著增强，c-Fos阳性细胞数增加，而GABA能神经元活性无显著变化。电生理记录进一步显示，METH组小鼠CL^Glu和mPFC^Glu神经元的oEPSCs振幅增大，而oIPSCs振幅减小。这表明在METH奖赏记忆形成后，环路中的FFI效应被削弱，导致兴奋性信号传递增强，抑制性控制减弱，从而使得mPFC和CL的Glu神经元活动同步升高。

mPFC-CL通路特异性介导奖赏记忆编码，CL-mPFC通路介导记忆检索

通过在不同阶段（CPP训练期/编码期 vs CPP测试期/检索期）进行化学遗传学干预，研究人员明确了两条通路的功能分工。在训练期抑制mPFC投射至CL的Glu神经元或激活CL^GABA神经元（以增强FFI），能够阻断METH CPP的获得，但不影响检索期的表现。相反，在测试期抑制CL投射至mPFC的Glu神经元或激活mPFC^GABA神经元，则能阻断METH CPP的表达（检索），而不影响编码过程。这证明自上而下的mPFC-CL通路主要参与奖赏记忆的编码（将毒品效应与环境线索关联），而自下而上的CL-mPFC通路主要参与记忆的检索（在环境线索提示下提取记忆）。

研究结论与意义

本研究系统描绘了mPFC与CL之间半球特异性的互连环路架构，并揭示了其在METH奖赏记忆编码与检索中的双重分工。重要的是，研究指出GABA能中间神经元介导的FFI在生理状态下是维持环路平衡的关键，而METH暴露会破坏这种抑制性控制，导致记忆相关神经元的过度兴奋。这一发现不仅深化了我们对成瘾记忆神经基础的理解，更重要的是，通过靶向特定通路（如增强FFI）可能为开发干预METH成瘾记忆的新型策略提供了潜在靶点。未来研究可进一步探索不同GABA能神经元亚型（如PV⁺、SOM⁺）在其中的特异性作用，以及该环路在雌性动物中的表现，以提供更全面的视角。