定时给予褪黑素会增加雌性西伯利亚仓鼠的领地攻击行为，但不会增加非领地攻击行为

《Hormones and Behavior》：Timed melatonin administration increases territorial but not non-territorial aggression in female Siberian hamsters

　　韩雨琪|汉娜·F·芬克|莉亚·G·伯格|凯特·E·斯坦纳|达昆·R·格林威尔|卡拉·L·韦尔曼|格雷戈里·E·德马斯美国生物学系摘要许多动物的生理和行为会随季节发生变化，包括繁殖相关的社会行为以及非繁殖相关的社会行为。一些季节性繁殖的动物在白天较短的季节（即冬季），尽管生殖腺功能减退且循环中的类固醇激素水平下降，但领地攻击性仍会增强。先前的研究表明，褪黑素通过类固醇激素来调节西伯利亚仓鼠（Phodopus sungorus）的季节性攻击性，这种动物的雄性和雌性在非繁殖季节都会表现出更强的领地攻击性。此前我们已发现肾上腺脱氢表雄酮在调节领地攻击性中的作用。然而，关于该物种或其他物种中非领地攻击性是否也会随季节变化，目前了解甚少。本研究探讨了短日照和外源性褪黑素如何影响非领地攻击性和领地攻击性，并研究了调控雌性仓鼠攻击性的神经内分泌机制。具体而言，我们将雌性仓鼠置于长日照或短日照环境中，给予定时注射褪黑素或对照溶液，然后评估其领地攻击性（即居民对入侵者的攻击）和非领地攻击性（即在中性笼子中的攻击行为）。此外，我们还通过c-Fos免疫标记技术检测了血清中的脱氢表雄酮水平以及大脑特定区域的神经活动。短日照处理组及接受定时褪黑素处理的長日照组动物出现繁殖抑制现象，领地攻击性上升，而非领地攻击性则没有变化，这表明季节性攻击性的神经内分泌调控具有情境特异性。此外，在行为挑战后脱氢表雄酮水平会上升；大脑特定区域的c-Fos表达既与情境相关，也受季节影响。总体而言，这些研究结果强调了褪黑素在协调攻击性“季节性切换”中的作用，同时表明不同类型的攻击性其神经内分泌机制可能有所不同。引言生活在非热带地区的许多动物，其生存环境会随季节发生显著变化。通过将繁殖时间限制在条件较好的时期（如夏季），动物能够最大化生存几率和繁殖成功率（Nelson, 2004）。在众多随季节变化的环境因素中，光周期是最可靠、干扰最少的信号，动物可借此调整形态、生理和行为的季节性变化（Drea, 2007; Jalabert et al., 2024; Munley et al., 2018; Pintér and Péczely, 2010; Walton et al., 2011; Winkler et al., 2014）。因此，动物进化出了利用光周期来调整自身适应季节变化的能力。光周期的调控依赖于复杂的神经内分泌机制，从视网膜感知环境光线开始，最终在松果体中将光周期信息转化为神经内分泌信号（Demas et al., 2023）。松果体分泌的褪黑素被认为是脊椎动物昼夜节律和季节节律的重要调节因子（Arendt, 1998）。内源性褪黑素的分泌几乎只在黑暗中进行，其分泌模式会影响生物体的反应：短暂的“冬季样”白天（即漫长的夜晚）会导致褪黑素持续分泌较长时间，从而引发短日照反应；而漫长的“夏季样”白天（即短暂的夜晚）则会使褪黑素分泌时间缩短，维持长日照反应（Munley et al., 2022a, Munley et al., 2022b, Munley et al., 2022c）。虽然褪黑素在多种脊椎动物物种中的季节性繁殖中的作用已被阐明（Bartness and Goldman, 1989; Dawson et al., 2001; Whittier and Crews, 1987），但那些对繁殖成功至关重要的非繁殖社会行为（如攻击性）的季节性变化机制却研究较少。攻击性是大多数脊椎动物在各种社会环境中普遍表现出的行为，指的是个体之间为争夺有限资源（如配偶、领地、食物）而产生的敌对行为。尽管攻击性可能带来适应性优势或提高生存概率，但攻击行为也可能导致能量消耗增加、遭受捕食风险或身体受伤。因此，个体必须权衡争夺资源的成本与收益，做出能带来最大适应收益的决策。为了平衡这些利弊，动物往往只会在特定情境下才表现出攻击性。例如，雌性小鼠和大鼠在产后会对入侵者表现出母性攻击性，但在非繁殖期则不会出现这种行为（Erskine et al., 1978; Flannelly et al., 1986）。在具有社会等级制度的物种中，地位较低的个体会采用其他策略来获取配偶，以避免与优势个体发生冲突（Gross and Charnov, 1980; Healey and Prince, 1998; Maggioncalda et al., 2002; Virgin Jr. and Sapolsky, 1997）。某些物种的攻击性还会随季节变化。我们和其他研究者已经证明，西伯利亚仓鼠的居民对入侵者的攻击性会随光周期引起的神经内分泌变化而发生季节性变化；例如，短日照条件下的褪黑素会作用于肾上腺，调节肾上腺雄激素的分泌，从而在HPG轴暂时受抑的非繁殖季节帮助调控攻击性。更具体地说，我们之前的研究发现，循环中的雄激素如睾酮和雌二醇对于调节季节性攻击性至关重要，而肾上腺雄激素脱氢表雄酮则在循环中的雄激素浓度较低时，作为睾酮和雌二醇的重要前体激素，主要介导非繁殖期的攻击性（Munley et al., 2018）。此外，越来越多的证据表明褪黑素也参与了这种季节性切换过程（Demas et al., 2023）。我们之前已经证明，外源性褪黑素给药会增加长日照条件下雄性和雌性的攻击性行为（Demas et al., 2004; Jasnow et al., 2002; Rendon et al., 2020）。我们还发现，模拟短日照模式下褪黑素分泌规律的定时注射会提升长日照条件下雌性的攻击性，而“时机不当”的褪黑素注射则不会产生此效应（Rendon et al., 2015）。此外，我们还在体外实验中发现，向培养的肾上腺施加褪黑素会提升短日照条件下雌性的肾上腺脱氢表雄酮分泌量，而长日照条件下雌性的卵巢培养物在褪黑素处理后则会出现脱氢表雄酮分泌量上升的现象（Rendon et al., 2015）。虽然这些研究结果表明褪黑素通过改变雌性个体的外周类固醇生成来调节季节性攻击性，但目前关于调控雌性仓鼠季节性攻击性的神经机制仍知之甚少。尽管西伯利亚仓鼠是研究攻击性神经内分泌机制的理想模型，但我们之前的所有研究都集中在领地攻击性上，这类攻击行为是由领地居民在遭遇入侵时发起的（Munley et al., 2022a, Munley et al., 2022b, Munley et al., 2022c; Munley et al., 2020, Munley et al., 2021; Scotti et al., 2015）。以往的研究主要关注褪黑素对外周肾上腺脱氢表雄酮的作用，以及该激素通过间接影响神经活动来调节领地攻击性的机制（Munley et al., 2021; Rendon et al., 2020）。例如，处于短日照环境中的雌性仓鼠以及接受每日定时褪黑素注射的长日照仓鼠，其3β-羟基类固醇脱氢酶的神经活动会降低，而这种酶负责将脱氢表雄酮代谢为雄烯二酮（Munley et al., 2022a, Munley et al., 2022b, Munley et al., 2022c）。褪黑素很可能还通过调控季节性领地攻击性的神经回路直接影响攻击性行为，但这些机制仍需进一步研究。在自然环境中，西伯利亚仓鼠是独居动物，全年都会积极捍卫自己的领地（Wynne-Edwards, 2003）。目前尚未对该物种的非领地攻击性及其潜在的神经内分泌调控机制进行研究。因此，本研究的目标是：1）确定雌性西伯利亚仓鼠是否也存在非领地攻击性，并且是否像领地攻击性一样会随季节变化；2）探究短期或长期给予褪黑素是否会影响调控这类攻击性的神经回路及下游信号通路。为此，我们将成年雌性仓鼠置于长日照或短日照环境中，分别给予盐水或褪黑素的定时注射，持续2周（短期组）或10周（长期组）。为了评估领地攻击性，我们采用了居民对入侵者测试法；而非领地攻击性则通过中性笼子测试来检测。为研究脱氢表雄酮在调节攻击性行为中的作用，我们在最终行为测试前后采集血液样本，检测其中的脱氢表雄酮浓度（见图1）。为初步探究褪黑素和脱氢表雄酮驱动季节性攻击性的神经内分泌机制，我们检测了侧隔区、下丘脑前部、杏仁核中部、下丘脑腹内侧部、弓状核以及导水管周围灰质等脑区的c-Fos基因表达情况，以此反映神经激活程度。我们选择这些脑区是因为它们既与社交行为网络有关，也参与经典啮齿类动物攻击性模型的核心攻击机制（Newman, 1999; Lischinsky and Lin, 2020）。社交行为网络包括多个与性别相关的区域，如侧隔区、杏仁核中部、扩展杏仁核的一部分、视前区中部、下丘脑前部、下丘脑腹内侧部以及导水管周围灰质。而核心攻击中心则包含扩展杏仁核、杏仁核中部、下丘脑腹内侧部以及乳突前核腹侧部分。侧隔区细胞不仅作为自上而下的输入信号投射到下丘脑腹内侧部，从而调节雄性的攻击性（Wong et al., 2016），而且还含有褪黑素1受体和雌激素受体α受体（Lacoste et al., 2015; Mitra et al., 2003）。我们预测，与长日照对照组相比，短日照条件下的雌性仓鼠以及接受定时褪黑素注射的长日照雌性仓鼠会出现生殖腺功能减退和体重下降，这一现象与我们之前的研究结果一致。我们还预计，这两组雌性仓鼠的血清脱氢表雄酮浓度会更高，且领地攻击性和非领地攻击性也会更强。此外，如果长期暴露于内源性（即短日照）或外源性（即定时注射）褪黑素是实现攻击性行为季节性转换的必要条件，那么短期组中的动物之间在攻击性方面应该几乎没有差异。最后，我们认为攻击性更强的动物在相关脑区的神经激活程度也会高于攻击性较弱的动物。研究片段动物与饲养条件成年（>60天）雌性西伯利亚仓鼠在长日照条件下被饲养在繁殖群体中（光照时长：16小时/黑暗时长8小时；东部标准时间17:00熄灯）。研究开始前一周，这些动物被单独关在聚丙烯制成的笼子中（尺寸为28×17×12厘米），并保持长日照条件（光照时长16小时/黑暗时长8小时；共66只）。每个笼子里都铺有Sani-Chip垫料（Teklad公司，Envigo公司，美国威斯康星州麦迪逊市），所有仓鼠均可自由进食。长期褪黑素会导致生殖腺功能减退和体重下降。每只动物的体重变化是通过最终体重与初始体重的差值来计算的，这些差值随后用于统计比较。三个短期组动物的体重均出现了显著变化（F(2, 27) = 4.661，p = 0.018，η2 = 0.25；见图2a）。接受定时褪黑素处理的短日照组和长日照组雌性仓鼠的体重均因实验处理而出现显著下降（定时褪黑素组：平均下降值1.80，p = 0.046；短日照组：平均下降值2.18，p = 0.028），而长日照对照组则没有此类变化。讨论我们实验室及其他研究者的先前研究表明，生活在短“冬季样”天数条件下的啮齿类动物，其领地攻击性比生活在长“夏季样”天数条件下的动物更强。在短日照条件下的仓鼠中，松果体分泌的褪黑素通过促进肾上腺脱氢表雄酮的分泌及其向活性代谢物的转化，来调节季节性领地攻击性（Demas et al., 2023; Munley et al., 2022a, Munley et al., 2022b, Munley et al., 2022c）。这一结果与之前的研究结论一致。结论在本研究中，我们发现通过每日定时注射的方式，为长日照条件下的雌性仓鼠提供类似短日照环境的褪黑素信号，可使其出现与短日照条件下雌性仓鼠相似的生理和行为变化。具体而言，接受褪黑素处理的女性和处于短日照环境中的女性都表现出更强的领地攻击性，且攻击行为后的血清脱氢表雄酮浓度也会升高。这种反应可能使动物能够在循环中的雄激素浓度较低的情况下依然调节自身的攻击性行为。作者贡献说明韩雨琪：撰写——初稿、方法学、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。汉娜·F·芬克：撰写——审阅与编辑、软件使用。莉亚·G·伯格：方法学。凯特·E·斯坦纳：方法学。达昆·R·格林威尔：方法学。卡拉·L·韦尔曼：撰写——审阅与编辑、方法学。格雷戈里·E·德马斯：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构建。利益冲突声明作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益/个人关系：卡拉·L·韦尔曼和格雷戈里·E·德马斯表示，他们获得了美国国家科学基金会的财政支持；格雷戈里·E·德马斯还表示获得了美国国家精神卫生研究所的财政支持。其他作者则声明自己不存在任何可能影响研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了美国国家科学基金会项目IOS-1656414（资助给G.E.D和C.L.W.）以及美国国家精神卫生研究所项目R21MH109942（资助给G.E.D.）的支持。作者感谢Demas实验室的所有成员，包括杜若菲和丛阿贝尔拉德，他们在尸体解剖和行为记录方面提供了帮助；同时也要感谢Wellman实验室的海莉·斯托尔斯维德在技术上的支持与协助。此外，作者还感激IU动物资源实验室的工作人员为监测动物的健康状况所做的工作。