平行前扣带回皮层通路介导可分离的社会和注意输出

《SCIENCE ADVANCES》：Parallel anterior cingulate cortex pathways underlie dissociable social and attentional outputs

　　

协调社会行为和注意控制的神经机制在患有自闭症谱系障碍（ASD）等神经精神疾病的个体中常常同时受损；然而，共享脑区内的不同环路如何分别调节这些功能仍不清楚。在本研究中，研究人员鉴定了前扣带回皮层（ACC）中两个功能不同的谷氨酸能神经元亚群，它们分别投射到不同的下游靶区：未定带（ZI）和丘脑网状核的边缘区（lTRN）。这两个ACC亚群差异性地介导了社会互动和注意分配。在Shank3b突变ASD模型小鼠中观察到了这两种行为的缺陷。对ACC→ZI环路的光遗传激活挽救了社会缺陷，而对ACC→lTRN通路的光遗传激活则恢复了注意表现。研究人员的发现揭示了ACC中可分离的神经元亚群及其下游环路在社会和注意行为中的作用，为今后研究调控精神疾病患者相关症状提供了环路水平的见解。

**论文解读：前扣带回皮层并行环路分别调控社会行为与注意力**

**研究背景与问题**
社会行为和注意处理是进化保守的功能，对生存和繁衍至关重要。大量证据表明，自闭症谱系障碍（ASD）儿童常同时存在社交缺陷和注意力障碍，提示大脑中可能存在对社会和注意控制的共享调控机制。尽管前扣带回皮层（ACC）已被证明参与社交（Humans/primates研究）和注意力调控（5-CSRTT任务），但ACC内部是否存在不同的神经元亚群分别输出到不同下游核团来独立调控这两种行为，尚不清楚。此外，ASD模型小鼠（Shank3b^?/?）是否共病注意缺陷以及能否通过靶向特定ACC环路来挽救症状，也是未知的。

**研究内容与结论**
研究人员系统鉴定了ACC中两个功能不同的谷氨酸能神经元亚群：投射至未定带（ZI）的ACC^ZI神经元和投射至丘脑网状核边缘区（lTRN）的ACC^lTRN神经元。通过光纤钙成像、光遗传抑制/激活、逆行示踪、全细胞膜片钳、单细胞RNA测序及行为学测试，证明ACC^ZI环路特异性调控社会互动，ACC^lTRN环路特异性调控注意分配和冲动控制。在Shank3b^?/? ASD模型小鼠中，两种行为存在共病缺陷，且两个环路的突触连接分别减弱。光遗传激活ACC→ZI环路可挽救社交缺陷，激活ACC→lTRN环路可恢复注意表现。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。

**关键技术与方法**
研究人员综合运用以下核心技术：① 光纤光度测定（Fiber photometry）记录ACC^CaMKII神经元在社交互动和5-选择序列反应时间任务（5-CSRTT）中的钙活动；② 光遗传学（NpHR抑制、ChR2激活）时空特异性调控ACC神经元胞体或轴突末梢；③ 逆行示踪（CTB 555/488）和活动依赖性标记（TRAP2小鼠+4-OHT）鉴定投射靶区；④ 全细胞膜片钳记录比较ACC^ZI与ACC^lTRN神经元的电生理特性及突触传递；⑤ 荧光激活细胞分选（FACS）结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）揭示分子表达差异；⑥ 行为学队列包括C57BL/6J、TRAP2和Shank3b^?/?小鼠（雄性为主，部分实验含雌性），每笼2-5只，12小时光周期，食物水自由获取（5-CSRTT前限水）。

**研究结果**

**ACC^CaMKII神经元在社交调查和注意处理中被激活**
通过光纤光度测定发现，自由活动小鼠在社交互动（SIT）中ACC钙信号显著升高，撤退时降低；在5-CSRTT正确试次（而非错误/遗漏试次）的间隔期（ITI）和线索期（cue）均出现瞬时钙增加，表明ACC参与社交和注意过程。

**ACC^CaMKII神经元是社交和注意行为所必需的**
光遗传抑制ACC^CaMKII神经元（NpHR）显著降低三箱测试（TCT）和社交互动测试（SIT）中的社交探索时间，并减少正确反应次数和准确率，增加冲动反应（提前鼻触）；全试次、ITI期或cue期抑制均产生类似缺陷，且不影响运动、焦虑等基础行为。

**社交遭遇和注意分配分配给不同的ACC神经元亚群**
在TRAP2小鼠中，活动依赖性标记显示社交行为激活的ACC神经元主要投射至ZI，注意行为激活的神经元主要投射至lTRN（而非感觉区）。逆行示踪（CTB注射至ZI和lTRN）显示ACC中投射至ZI和lTRN的神经元仅有1.61%重叠，表明两群细胞可分离。

**ACC^ZI和ACC^lTRN神经元具有不同的电生理、形态和分子特征**
全细胞记录表明，ACC^lTRN神经元具有更低的基强度、更高的膜电阻和放电数；ACC^ZI神经元树突更复杂、树突总长度更长、胞体更大。单细胞RNA测序鉴定出142个差异表达基因，包括Ctnnd2、Nrxn1等与社交/注意相关的基因，KEGG通路分析显示突触信号通路显著不同。

**ACC^CaMKII→ZI环路调控社会行为**
光遗传抑制ACC轴突末梢至ZI的突触传递，显著降低TCT和SIT中的社交时间，而抑制ACC→lTRN环路则无影响；激活该环路可挽救Shank3b^?/?小鼠的社交缺陷。

**ACC^CaMKII→lTRN环路调控注意处理**
抑制ACC→lTRN环路（全试次、ITI期或cue期）降低正确反应和准确率，增加冲动反应；抑制ACC→ZI环路则无影响。该效应不依赖于运动、焦虑等基础行为。

**Shank3b突变小鼠表现出共病行为缺陷和ACC突触连接受损**
Shank3b^?/?小鼠在TCT和SIT中社交减少，在5-CSRTT中后期准确率下降、冲动增加。全细胞记录显示，两种ACC投射神经元（ACC^ZI和ACC^lTRN）的自发兴奋性突触后电流（sEPSC）频率和幅度均减弱；光遗传刺激ACC→lTRN环路时，lTRN神经元响应比例显著低于野生型，而ACC→ZI环路的配对脉冲比率（PPR）增加。树突棘分析发现两种神经元的总体棘密度和蘑菇棘密度均降低。

**靶向不同ACC环路挽救Shank3b^?/?小鼠的社交低下和注意力缺陷**
在Shank3b^?/?小鼠中，光遗传激活ACC→ZI环路显著增加TCT和SIT中的社交时间；激活ACC→lTRN环路（全试次、ITI期或cue期）显著提高正确反应数量和准确率，减少冲动。

**讨论与结论**
讨论指出，ACC内部两个可分离的神经元亚群分别通过投射至ZI和lTRN来协调社交和注意力，这一自上而下的调控机制为ASD等共病社交和注意缺陷的神经精神疾病提供了潜在治疗靶点。研究结论为：研究人员鉴定了ACC中两个在电生理、形态和分子特征上呈现显著异质性的神经集群，分别通过向ZI和lTRN的投射介导社会行为和注意控制。本研究为社交和注意力提供了一个此前未知的神经框架，强调ACC可作为存在这些共病损害的神经精神疾病患者的潜在治疗靶点。