中縫背核（DRN）中的5-羥色胺（5-HT）神經元接收多種長程輸入，但該核團局部回路的組織原則及其潛在的計算機制在很大程度上仍是未知的。

基于此，2025年4月3日，加拿大渥太華大學細胞與分子醫學系Jean-Claude Bé?que?研究團隊在Nature neuroscience雜志發表了“Nonlinear recurrent inhibition through facilitating serotonin release in the raphe”，表明在中縫核中，通過促進5-羥色胺釋放實現的非線性遞歸抑制是一種復雜的神經調節機制。這種機制揭示了5-HT神經元之間存在由5-HT1A受體介導的獨特遞歸連接，這些連接并非如傳統理論所述產生自抑制作用，而是展現出一系列獨特的特性。

通過研究來自外側韁核（LHb）的輸入對小鼠DRN的處理特性，揭示了5-HT神經元之間由5-HT1A受體介導的遞歸連接，這反駁了傳統的自抑制理論。通過細胞電生理學和基因編碼的5-HT sensor成像，發現這些遞歸抑制連接遍布中縫核，具有緩慢、隨機、強易化的特點，并調控動作電位輸出。這些特性共同賦予該網絡高度非線性的動力學特征，在體內實驗中，通過光遺傳學激活LHb到DRN的輸入，在預測這些計算發生的頻率下，短暫破壞了聽覺條件反射任務中獎勵條件反應的表現。綜上所述，這些數據揭示了一種核心計算機制依賴于一個慢速5-HT遞歸抑制網絡。

圖一 LHb向DRN的興奮性單突觸輸入會引發頻率依賴性的間接抑制

首先通過使用腺相關病毒表達綠色熒光蛋白（GFP）在LHb中顯示，LHb軸突廣泛支配DRN的腹內側部分。進一步通過將攜帶ChR2(H134R)-mCherry的AAV注入SERT-Cre::tdTom小鼠的LHb并進行光遺傳學刺激，發現這種刺激能誘導出類似于電流步驟注射時觀察到的動作電位。在電壓鉗模式下對基因標識的5-HT神經元進行記錄時，光刺激LHb軸突觸發了具有AMPA受體和NMDA受體介導成分的興奮性突觸后電流（EPSCs）。這些由LED誘導的EPSCs可以被河豚毒素（TTX）阻斷并通過鉀通道阻滯劑4-AP恢復，表明LHb與5-HT神經元之間存在單突觸接觸并能夠驅動其產生動作電位。高頻率（如10Hz或20Hz）的光刺激LHb軸突會觸發一個持續數百毫秒的延遲外向電流，這表明可能涉及G蛋白耦合的內向整流鉀（GIRK）通道，并且應用5-HT1AR拮抗劑WAY-100635消除了這種外向電流，但不影響光誘導的EPSCs?？傊?，這些結果表明LHb對DRN 5-HT神經元的輸入首先觸發快速的單突觸谷氨酸能介導的興奮，隨后是較慢的、由5-HT1A受體介導的抑制。這一機制揭示了LHb如何通過復雜的信號傳導影響5-HT系統，特別是在處理負面獎勵預測錯誤、抑郁或壓力等情況下。

圖二 中縫核中的5-HT神經元被組織在一個反復循環的抑制性網絡中

經典的5-HT1A受體（5-HT1AR）自受體模型認為，單個5-HT神經元在放電時通過樹突釋放5-HT或軸突側支激活其自身的5-HT1A自受體，從而限制自身的興奮性。然而，LHb輸入的刺激在非放電、電壓鉗制的5-HT神經元中觸發了5-HT1AR介導的外向電流，甚至在未接收功能性LHb興奮性輸入的5-HT神經元中也觀察到類似現象。為驗證自分泌自受體假說與DRN中5-HT神經元是否構成遞歸抑制網絡的替代假說，進行了進一步實驗。結果顯示，在單個5-HT神經元中，誘發的動作電位并未通過5-HT1AR介導的自受體作用影響其后的超極化（AHP），而是完全由小電導Ca2?激活鉀通道介導。此外，電壓鉗實驗表明，長時間去極化引發的強外向電流對鉀通道阻斷劑apamin敏感，但對5-HT1AR拮抗劑WAY-100635不敏感，反駁了5-HT1AR的自分泌功能。為探索DRN中5-HT神經元之間的遞歸網絡，在SERT-Cre::tdTom小鼠中表達Cre依賴的AAV-ChETA-YFP并通過光遺傳學刺激發現，即使在非ChETA表達的5-HT神經元中，光刺激也能觸發緩慢、延遲且強整流的外向電流，這些電流可被TTX和WAY-100635阻斷，表明DRN中存在5-HT神經元遞歸抑制網絡。進一步的空間連接分析顯示，背側和腹側DRN注射熒光右旋葡聚糖示蹤劑后標記的神經元分布具有顯著差異，提示子模塊特異性的空間連接特征。最后量化了5-HT1AR介導的遞歸連接釋放動力學，發現其外向電導在光刺激結束后約400毫秒達到峰值，緩慢衰減，并幾乎線性隨光刺激脈沖數增加而增強，表明內源性5-HT連續激活后5-HT1AR耦合GIRK通道的脫敏有限。這些結果揭示了DRN中5-HT遞歸抑制網絡的時間進程和空間特性。

圖三 中縫背核中5-HT釋放的突觸易化動力學和空間結構

接下來利用雙光子（2P）成像技術探索了體外切片中DRN內5-HT釋放的空間特征，使用的是基因編碼的5-HT sensor綠色熒光G蛋白偶聯受體激活基礎（GRAB）5-HT（GRAB5-HT2M34），它選擇性地在5-HT神經元中表達。通過浴應用50 μM的5-HT，觀察到神經突和細胞體中的GRAB5-HT熒光明顯增加，這作為GRAB5-HT表達和整體功能的陽性對照。為了研究電刺激對5-HT釋放的影響，在不同頻率（5-20 Hz；八個脈沖，類似于上述條件）下電刺激DRN切片中的5-HT連接，直接觸發終端5-HT釋放。隨著電刺激頻率的增加，手動標注反應區域并觀察到熒光響應呈現非線性增長。GRAB5-HT介導的熒光對TTX敏感，表明電誘導的釋放事件是由動作電位驅動的，進一步支持了先前全細胞記錄揭示的5-HT釋放促進動力學變化，并提示這種現象的前突觸定位。隨著刺激頻率的增加，GRAB5-HT介導的熒光不僅絕對強度增加，而且逐漸集中在成像幀內的熱點區域。GRAB5-HT熒光與tdTomato信號之間顯示了較弱的整體相關性，可能反映了生物傳感器缺乏強烈的胞體信號。全幀分析表明，GRAB5-HT熒光響應在空間上是受限的，為了以系統的方式量化這些熱點的空間特征，接著計算了每個刺激頻率下的GRAB5-HT全幀響應的空間自相關。隨著頻率的增加，空間自相關函數變得更寬，提供了熱點大小的度量。隨著刺激頻率的增加，面積也更大。這些數據表明，GRAB5-HT熒光顯示出空間局部化的熱點，其面積和強度均隨刺激頻率增加而擴展，這與促進性5-HT釋放一致。

圖四 習得的線索獎賞關聯受LHb到DRN的驅動的條件性調節

為了進一步探討DRN中非線性計算的行為表現，設計了一個實驗來研究通過激活LHb-中縫核通路在不同輸入頻率下觸發的計算如何影響行為。在經典條件反射任務中，獎勵預期的內部狀態可以導致可測量的運動輸出，例如線索后的預期舔舐行為。已知這些舔舐行為的時間動態會受到5-HT活動的調節，并與局部回路的網絡結構和突觸釋放動力學相關。為此，開發了一種頭部固定的經典條件反射任務，在此任務中可以光遺傳學地操控LHb對DRN的輸入，同時監測舔舐行為。小鼠在經過水分剝奪后，接受了基于聽覺的經典條件反射訓練，該范式包含三種可能的獎勵結果（大獎勵、小獎勵和無獎勵）。經過訓練的小鼠表現出顯著的線索驅動的預期舔舐行為，這是一種條件反射反應，表明它們已經習得了刺激-獎勵關聯。在實驗中，在交錯試驗的線索后期間以不同頻率（低頻：5 Hz；高頻：20 Hz）光遺傳學刺激habenulo–raphe通路。生理學和建模分析表明，低頻刺激主要引發直接興奮，而高頻刺激則觸發遞歸抑制。實驗結果顯示，在大獎勵試驗中，低頻（5 Hz）光遺傳學刺激對預期舔舐沒有影響，而高頻（20 Hz）光刺激引發了快速且顯著的舔舐減少，這種減少在刺激結束后迅速恢復。相比之下，在小獎勵試驗中，無論是20 Hz還是5 Hz的光刺激均未顯著調節預期舔舐行為；在無獎勵試驗中，5 Hz光刺激在聽覺線索后引發輕微但有時明顯的舔舐增加，而20 Hz光刺激則未觀察到類似效應。值得注意的是，基線預期舔舐水平與高頻光刺激效應大小之間存在正相關關系，表明通路激活對獎勵預期的影響是除法性的而非減法性的。此外，20 Hz和5 Hz刺激對預期舔舐的效應大小之間沒有明顯關系。

總結

研究表明，這項研究不僅深化了對5-HT系統在行為調節中的作用的理解，而且為未來的神經科學研究提供了新的工具和理論框架，特別是在探索大腦如何執行復雜計算以支持適應性行為方面。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-01912-7