《iScience》：Auditory associative learning drives synaptic responses in tail of the striatum spiny projection neurons
编辑推荐：
线索与危险存在或缺失的关联对生存至关重要。目前尚不清楚使线索与危险缺失相关联的突触变化机制，但纹状体尾部（tail of the striatum, TS）已被认为发挥作用。为探究这一问题，研究人员对小鼠进行条件化训练，使其将情境环境与足部电击威胁相关联（该关
线索与危险存在或缺失的关联对生存至关重要。目前尚不清楚使线索与危险缺失相关联的突触变化机制，但纹状体尾部（tail of the striatum, TS）已被认为发挥作用。为探究这一问题，研究人员对小鼠进行条件化训练，使其将情境环境与足部电击威胁相关联（该关联诱发僵立反应），并将一个声音线索（conditioned stimulus, CS）与无电击状态相关联（该关联抑制情境性僵立反应）。学习后，相较于对照组，CS强烈激活棘状投射神经元（spiny projection neurons, SPNs），其中包括对声音起始产生的、在麻醉状态下仍部分维持的直接通路SPN（direct pathway SPN, dSPN）大型钙响应。在条件化小鼠的脑片中，dSPN对听觉丘脑输入的突触反应增强，表现为NMDA和AMPA受体介导的反应升高、GABA能输入减少以及树突棘密度增加。因此，声音与危险缺失的关联涉及TS对关联声音突触反应的增强。
论文解读：听觉联想学习驱动纹状体尾部棘状投射神经元的突触可塑性
一、研究背景与问题
动物必须学习将环境线索与危险的出现或缺失相关联，这是生存的关键。经典条件化研究多关注威胁性听觉联想，但对于“线索预示安全/无威胁”这一形式的联想学习，其背后的突触机制长期未知。近年来，纹状体尾部（tail of the striatum, TS）被发现接受来自听觉丘脑和听觉皮层的强输入，并表达两类主要的投射神经元：直接通路棘状投射神经元（direct pathway spiny projection neuron, dSPN）和间接通路棘状投射神经元（indirect pathway SPN, iSPN）。已有研究表明，威胁促进性声音可激活腹侧TS（vTS）中的dSPN，但背侧TS（dTS）中不同SPN亚型在威胁抑制性听觉联想学习中的反应模式、突触可塑性以及多巴胺（dopamine, DA）信号的参与均不清楚。该研究旨在回答：声音与危险缺失的联想是如何改变TS SPN的突触反应？这种改变是否需要局部DA信号？
二、研究内容与总体结论
研究人员使用D1:cre和A2A:cre小鼠分别标记dSPN和iSPN，结合纤维光度法、行为学条件化、局部药理学操作、离体脑片全细胞膜片钳和形态学分析，系统记录了dTS两类SPN在条件化威胁抑制（conditioned threat suppression）和威胁促进（conditioned threat-promotion）范式中的钙活动及突触变化。结果显示：与威胁抑制相关联的声音能够强烈激活dTS中的两类SPN，其中dSPN在声音起始处产生在麻醉下仍存在的钙瞬变；离体脑片中，该学习选择性增强听觉丘脑至dSPN的兴奋性突触传递，表现为NMDA和AMPA受体介导电流增大、GABA能抑制性输入减弱以及树突棘密度增加。总体结论是：声音与危险缺失的联想涉及TS对关联声音突触反应的增强，这一可塑性可能是“安全学习”的神经基础之一。
三、主要关键技术方法（约250字）
研究人员使用了以下主要技术：（1）纤维光度法（fiber photometry）记录dTS中dSPN（D1:cre）和iSPN（A2A:cre）的GCaMP6f钙信号；（2）条件化行为范式：威胁抑制（CS与无电击关联，声音抑制情境僵立）、威胁促进（CS与足电击共终止）及单纯声音对照，均训练3天并测试回忆期僵立；（3）局部药物输注：通过埋置套管或光流控套管向dTS给予河豚毒素（TTX）或多巴胺受体拮抗剂（SCH23390与舒必利），以检验神经元活动和DA信号在学习获得与表达中的作用；（4）离体脑片全细胞膜片钳记录，包括微小兴奋性突触后电流（mEPSC）、微小抑制性突触后电流（mIPSC）、诱发电位以及光遗传刺激内侧膝状体（MGB）轴突诱发的光刺激突触后电流（oEPSC），并检测NMDA/AMPA比值；（5）形态学分析：利用生胞素（biocytin）填充dSPN后进行Sholl分析和树突棘密度统计。实验动物为成年D1:cre和A2A:cre小鼠，病毒注射后4–6周进行行为学和电生理记录。
四、研究结果
1. 对促进或抑制威胁反应的条件化听觉线索的行为反应（Behavioral responses to conditioned auditory cues that promote or suppress threat responses）
通过对比威胁抑制、威胁促进和单纯声音对照组，研究人员发现：威胁抑制组小鼠在训练第2、3天出现明显的情境僵立，但CS呈现可显著抑制僵立；威胁促进组小鼠则在训练第1天即对CS产生僵立，并在后续训练中进一步增加。回忆期测试表明，两种条件化均成功建立了稳定的听觉联想。
2. 情境威胁关联的获得需要dTS神经元活性和多巴胺（Acquisition of threat association with context requires dTS neuronal activity and dopamine）
在每次训练前向dTS局部输注TTX或DA受体拮抗剂（D1/D2拮抗剂），会破坏小鼠对情境威胁的获得，表现为回忆期情境僵立（preCS期）显著降低，而CS期的僵立反应因缺乏情境僵立而无法表现。这说明dTS神经元活动和DA信号在情境-威胁关联形成中是必需的。
3. 在声音关联之前，足部电击而非声音线索激活dTS SPN（Prior to sound-association, foot shock but not the sound cue activates dTS SPNs）
在未条件化小鼠中，中性声音几乎不引起dTS dSPN或iSPN的钙响应；而足部电击可快速激发dSPN的钙瞬变，但在iSPN中未达显著水平。TTX局部灌注可消除该电击反应，而DA拮抗剂对其无影响，提示急性电击反应不依赖局部DA信号。
4. dTS SPN对威胁抑制和威胁促进相关声音线索的反应（dTS SPN responses to threat-suppression and threat-promotion associated sound cues）
光纤记录显示，在对照组中CS不诱发显著的SPN钙活动。威胁抑制训练后，dSPN和iSPN均在CS期间出现持续整个声音时程的钙升高，并在回忆期保留。威胁促进训练后，两类SPN在CS起始（0–2秒）出现短时程钙瞬变，且dSPN还出现一个紧随电击遗漏的偏移成分。这表明不同联想学习范式在TS SPN中诱导了不同的反应时序模式。
5. dTS dSPN对CS声起始的反应在麻醉下仍存在（The dTS dSPN response to CS tone onset is present under anesthesia）
在异氟烷麻醉下，威胁抑制组iSPN对CS的反应完全消失，而dSPN保留了声音起始成分（0–2秒）的麻醉抵抗钙瞬变，持续成分（2–20秒）则被麻醉抑制。在威胁促进组中，dSPN的起始成分也部分保留。结合运动相关性分析，dSPN的起始反应被认为与注意或显著性相关，而持续成分与运动行为相关。
6. 习得反应不需要dTS DA信号（Learned responses do not require dTS DA signaling）
在回忆期向dTS局部输注TTX可完全消除dSPN对CS的钙反应，并显著减少情境僵立。相反，输注DA受体拮抗剂不影响CS诱发的dSPN钙瞬变，也不影响CS对僵立的抑制。因此，dTS DA信号对情境威胁记忆的获得是必需的，但对已习得反应的表达并非必需。
7. 威胁抑制学习增强dTS dSPN对兴奋性输入的突触后反应（Threat suppression learning enhances postsynaptic dTS dSPN responses to excitatory inputs）
离体脑片记录显示，威胁抑制学习后dSPN的mEPSC幅度升高、mIPSC幅度降低，频率均不变。光遗传激活MGB至dTS的轴突时，oEPSC幅度显著增强，NMDA/AMPA比值和NMDA成分均增大，而配对脉冲比无变化，说明增强主要发生在突触后。形态学分析发现dSPN树突棘密度增加，而树突长度、分支点数和内在膜特性均无显著改变。
五、总结讨论与结论
讨论部分指出，dTS dSPN在声音起始处的麻醉抵抗成分可能表征刺激的显著性或注意分配，而麻醉敏感的持续成分则与运动输出相关。威胁抑制学习诱导的突触增强表现为丘脑-纹状体输入上兴奋性突触后反应的增加，可能由NMDA受体及钙通透性AMPA受体介导的钙内流增强驱动。dSPN通过黑质网状部（SNr）→腹前核（VAmc）→前辅助运动区（preSMA）通路促进运动，而iSPN可能通过抑制性通路拮抗该效应。此外，dTS DA信号仅参与情境威胁的获得，声音-威胁抑制关联的回忆可能不依赖DA。该研究鉴定了一种由听觉联想学习驱动的TS突触可塑性，为创伤后应激障碍、帕金森病等伴随威胁抑制加工异常的疾病提供了潜在干预靶点。
研究结论可概括为：声音与危险缺失的听觉联想学习增强了纹状体尾部对关联声音的突触反应，该增强由dSPN兴奋性突触后传递上调和抑制性输入下调共同介导。
