《Nature Communications》：Topographically organized dorsal raphe activity modulates forebrain sensory-motor representations and contributes to defensive behaviors
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中缝背核（DRN）塑造包括情绪和动机在内的行为。DRN包含分子上不同且拓扑组织的神经元，这些神经元靶向特定的前脑区域。为了解DRN神经元如何处理感觉信息，研究人员研究了斑马鱼中DRN神经元、DRN轴突及其前脑靶点的时空活动模式。研究人员发现DRN内部存在进行性
中缝背核（DRN）塑造包括情绪和动机在内的行为。DRN包含分子上不同且拓扑组织的神经元，这些神经元靶向特定的前脑区域。为了解DRN神经元如何处理感觉信息，研究人员研究了斑马鱼中DRN神经元、DRN轴突及其前脑靶点的时空活动模式。研究人员发现DRN内部存在进行性活动和感觉运动反应的显著拓扑组织。DRN神经元的一个子集由运动和感觉刺激驱动。Gad1阳性DRN神经元在静息和感觉运动刺激期间表现出独特的活动。前脑中的DRN轴突对感觉刺激和运动表现出拓扑组织的兴奋和抑制。DRN轴突与前脑神经元活动协变。DRN损毁降低了前脑神经元的同步性和感觉运动反应，并增强了防御行为。研究人员揭示了DRN神经元的功能多样性及其通过拓扑组织的前脑投射传递感觉和运动信号的作用。
神经调节系统通过动态调节神经回路活动，在塑造大脑计算和动物行为中至关重要。5-羟色胺是进化上保守的关键神经调节剂。中缝背核（DRN）是脊椎动物大脑中血清素能系统的主要枢纽，位于中脑。DRN神经元广泛投射到全脑，影响感觉和运动计算、情绪和情绪调节等多种神经过程。因此，DRN对于大脑正确整合感觉线索和适应行为输出至关重要，也是理解和治疗神经精神疾病的关键靶点。传统上，DRN的活动通常与情绪、内部状态和高级认知行为相关。并且近期研究表明，DRN是一个包含分子多样性且拓扑组织神经群的异质性核团。然而，目前关于DRN亚回路是否代表功能不同的神经元集合、不同环境与自主运动线索如何编码在DRN神经元中，以及DRN投射在协调前脑网络中的具体功能机制仍不清楚。尤其是，DRN输入对斑马鱼前脑的影响及其在防御行为中的作用仍有待探索。
为了解答这些问题，研究人员使用斑马鱼作为模型开展了研究。研究人员发现，DRN神经元组织成功能集群，附近的神经元在静息、感觉刺激和运动期间表现出相关联的活动模式。前脑中的DRN轴突表现出显著的功能拓扑结构，并且DRN轴突的活动与前脑神经元活动协变。DRN的化学遗传学损毁会显著降低前脑同步性，削弱前脑神经元对运动和感觉刺激的响应，并最终损害斑马鱼在经历厌恶刺激后的恢复及其对新环境的探索性适应。这些发现揭示了DRN神经元的功能多样性及其在调节前脑网络中的关键作用，为理解神经调节系统如何塑造大脑计算和动物行为提供了重要见解。此项研究成果发表在《Nature Communications》上。
在关键技术方法上，研究人员主要使用三周龄幼年斑马鱼作为模型，利用双光子钙成像技术对清醒且头部固定的转基因斑马鱼进行体积成像，以监测DRN及其前脑投射的活动。同时，结合运动行为同步记录与感觉刺激（红光闪光与机械振动）。通过使用化学遗传学方法特异性损毁DRN，并结合自由游泳行为学测试评估防御行为。数据分析阶段广泛采用了K-means聚类与相关性分析来量化网络的功能拓扑结构。
在研究结果部分，具体发现如下：
中缝背核由拓扑组织的神经集群组成。研究人员通过体积成像分析了斑马鱼DRN的进行性钙活动，通过K-means聚类识别出具有相似活动的神经元群在空间上呈现拓扑分布。通过计算神经元间距离与活动相关性的关系以及集群保真度（cluster fidelity），证实了附近的DRN神经元比远处的神经元表现出更相关的活动，表明幼年斑马鱼DRN由功能异质性且拓扑组织的神经元集群组成。
中缝背核神经元响应运动和感觉信号。研究人员在测量DRN活动的同时记录了运动尾部摆动，发现部分神经元被运动兴奋，另一部分被抑制，且这两种反应在空间上呈现前背侧抑制与后腹侧兴奋的拓扑分布。此外，红光主要引起兴奋反应，而厌恶机械振动主要引起抑制反应。这些感觉运动反应也具有显著的拓扑组织特征。
表达Gad1b的中缝背核神经元表现出独特活动。利用双转基因斑马鱼，研究人员发现约四分之一的DRN神经元共表达Gad1b，主要分布在背前侧区域。这些Gad1b阳性神经元具有较高的集群选择性，形成独立的功能集群，并在静息时表现出高度相关性。与其他DRN神经元相比，Gad1b阳性神经元在运动、光和振动刺激下主要表现出抑制性反应，表明其具有独特的感觉运动响应特性。
中缝背核的前脑投射表现出拓扑组织的活动。研究人员测量了前脑中DRN轴突的钙信号，发现大量轴突对运动表现出显著兴奋或抑制，且这些轴突反应在空间上呈现出显著的功能拓扑分布。这表明空间上不同的前脑区域从DRN接收不同类型的感觉运动信息。
中缝背核投射活动与前脑神经元活动协变。通过同时标记DRN轴突和前脑神经元核，研究人员评估了通路活动相关性，发现被运动兴奋的DRN轴突与周围兴奋的前脑神经元表现出更高的正相关性，被抑制的轴突则与抑制的前脑神经元相关性更高。这种相关性随距离衰减，证实了DRN轴突活动与局部前脑网络在功能上紧密耦合。
中缝背核的化学遗传学损毁破坏前脑同步性和感觉运动反应。利用表达硝基还原酶（NTR）的转基因鱼，研究人员使用10 mM甲硝唑（MTZ）实现DRN损毁。结果发现DRN损毁不仅降低了前脑神经元在振动刺激期间的成对正负相关性，还显著削弱了前脑各区域对运动和振动的响应幅度。此外，DRN损毁改变了前脑活动与运动行为间的关系，证实了DRN在编排和促进前脑感觉运动信息中的核心作用。
中缝背核损毁损害幼年斑马鱼的防御行为。在自由游泳的行为学测试中，研究人员发现DRN损毁的斑马鱼在经历机械振动刺激后，在更深的水底区域停留时间显著延长，且位置焦度增加、探索行为显著减少。在进入新环境的 тест中也表现出更强烈的潜水行为和更低的探索率，证明DRN损毁放大了防御行为并损害了环境适应能力。
最后，在讨论和结论部分，研究人员总结了该研究的意义。该研究揭示了斑马鱼DRN神经元及其前脑轴突投射的功能多样性与显著的拓扑组织特征。分子学上特定的Gad1b表达神经元在空间上聚集并表现出独特的抑制性感觉运动反应。研究发现DRN轴突活动与前脑神经元协变，DRN的整体净效应是促进和编排前脑网络活动。研究人员提出，DRN向皮层和皮层下区域的投射能够将个体的运动信号传递至前脑，以调节和放大前脑的感觉网络计算。此外，DRN损毁导致前脑网络之间的解耦，并放大了动物的防御行为。综上所述，该研究阐明了DRN在调节前脑功能中的核心机制，提示DRN在塑造大脑高级认知与情绪状态方面可能具有从感觉运动信息处理演化而来的功能基础，而不仅仅局限于对内部状态的调节。
