Neuron丨段樹民團隊揭示雄性更具有攻擊性的環路基礎
自然界中，無論是人類還是還是其他大多數動物，雄性都更具有攻擊性，但這背後的神經機制尚未完全闡釋。
2024年7月17日，段樹民院士團隊在《Neuron》雜誌上發表的文章《A hypothalamic-amygdala circuit underlying sexually dimorphic aggression》中，通過一系列實驗揭示了下丘腦-杏仁核迴路（VMHv1-pSI）在性別二態性攻擊行爲中的作用，詳細介紹了該回路的結構和功能。
圖1：藥理遺傳學激活VMHvlEsr1神經元誘導雄性特異性攻擊
首先，研究人員使用藥理遺傳學方法，通過在小鼠VMHvlEsr1神經元中引入Cre依賴性DREADDq受體，並通過腹腔注射CNO激活這些神經元。行爲實驗記錄了雄性和雌性小鼠的攻擊行爲。CNO注射顯著增加了雄性小鼠的攻擊行爲，而雌性小鼠未觀察到明顯攻擊行爲。c-Fos表達分析顯示，VMHvlEsr1神經元的激活在雄性和雌性小鼠中相似，但雄性小鼠的pSI區域表現出更高的c-Fos表達，這種投射只發生在注射點同側腦區。VMHvlEsr1神經元的激活導致雄性小鼠顯著的攻擊行爲，而雌性小鼠中未觀察到同樣的效應，表明該回路在性別二態性攻擊行爲中的重要作用。
圖2：VMHvl和pSI之間的神經迴路介導雄性攻擊行爲
爲了證明VMHvlEsr1-pSI環路確實在雄性攻擊行爲中起作用，研究人員通過順行示蹤和光遺傳學方法，標記並激活VMHvl到pSI的神經投射，同時使用光遺傳學抑制pSI神經元（GtACR1元件），結果發現激活VMHvl神經元顯著促進雄性小鼠的攻擊行爲，而抑制pSI神經元則阻斷了這一效應。進一步的實驗顯示，VMHvl到pSI的投射終端激活可以通過抑制pSI神經元來調控攻擊行爲，這說明VMHvl和pSI之間的層次化神經迴路在雄性小鼠的攻擊行爲中起關鍵作用。
圖3：VMHvl-pSI-PAG迴路在雄性攻擊中的作用
之前有研究表明投射到中腦導水管附近灰質（PAG）的pSI神經元（pSI-PAG）介導了攻擊行爲1，研究人員通過反向跨突觸示蹤技術，標記並研究了pSI-PAG神經元的連接。通過電生理記錄測量VMHvl投射至pSI-PAG神經元的興奮性突觸後電流（EPSCs）。結果表明，VMHvl與pSI-PAG神經元之間存在密集的功能性連接。抑制VMHvl神經元可以顯著減少由pSI-PAG神經元激活引起的攻擊行爲。因此VMHvl-pSI-PAG迴路在雄性小鼠的攻擊行爲中具有重要作用，且該回路呈現出層次化組織。
圖4：VMHvlCaMKII-pSI和VMHvlVGAT-pSI投射在雄性攻擊行爲中的雙向調節
上述結果介紹了該環路的功能，但是該環路在雌雄之間有什麼差異造成了攻擊性的差異呢？一個假設就是興奮性和抑制性神經元存在性別特異性。研究人員使用光遺傳學和電生理記錄技術，研究了VMHvl到pSI的興奮性和抑制性投射在雄性和雌性小鼠中的作用：光遺傳學激活VMHvlCaMKII-pSI投射顯著增加雄性小鼠的攻擊行爲，而激活VMHvlVGAT-pSI投射則減少攻擊行爲。這一效應在雌性小鼠中不明顯。VMHvlCaMKII-pSI和VMHvlVGAT-pSI投射分別促進和抑制雄性小鼠的攻擊行爲，表現出性別特異性。
圖5：VMHvlEsr1-pSI投射誘導雄性偏向的攻擊行爲
研究人員通過光遺傳學激活VMHvlEsr1-pSI投射，觀察雄性和雌性小鼠的攻擊和交配行爲。光激活VMHvlEsr1-pSI投射顯著誘導雄性小鼠的攻擊行爲，但在雌性小鼠中僅引發輕微的攻擊行爲。未觀察到顯著的交配行爲。VMHvlEsr1-pSI投射在雄性小鼠中促進攻擊行爲，而在雌性小鼠中的作用較弱，顯示出性別偏向性。
圖6：VMHvlEsr1神經元到pSI的性別二態性突觸傳遞
通過順行病毒示蹤和電生理記錄，研究了VMHvlEsr1神經元在雄性和雌性小鼠中的興奮性和抑制性突觸傳遞。雄性小鼠的VMHvlEsr1神經元在pSI中的興奮性突觸終端密度更高，而雌性小鼠的抑制性突觸終端密度更高。電生理記錄證實，VMHvlEsr1神經元在雄性小鼠中主要提供興奮性輸入，而在雌性小鼠中主要提供抑制性輸入。這說明VMHvlEsr1神經元到pSI的突觸傳遞在性別上表現出明顯的差異，這可能解釋了雄性和雌性小鼠攻擊行爲的不同。
圖7：VMHvlEsr1神經元激活引起的pSI神經元活動的性別差異
之後作者使用使用光纖和體內電生理記錄，研究了在光激活VMHvlEsr1-pSI投射時pSI神經元的鈣離子活動和多單元活動。光激活VMHvlEsr1-pSI投射在雄性小鼠中引起的pSI神經元活動顯著高於雌性小鼠。體內電生理記錄顯示，雄性小鼠的pSI神經元在光激活期間表現出更強的興奮性反應，而雌性則表現出更強的抑制性反應。該項結果說明VMHvlEsr1神經元的激活在雄性小鼠中引起更強的pSI神經元興奮，可能導致雄性偏向的攻擊行爲。
結論
本研究揭示了VMHvl到pSI的下丘腦-杏仁核迴路在性別二態性攻擊行爲中的關鍵作用。雄性小鼠的興奮性輸入和雌性小鼠的抑制性輸入的差異導致了攻擊行爲的性別偏向。這一發現爲理解性別差異的神經機制提供了新的視角，並可能爲開發新的行爲干預方法提供理論基礎。雌雄差異導致的神經環路的不同是神經科學領域重要的科學問題，例如今年中山大學李勃興團隊發現了雌雄共情行爲差異的神經環路2。對這些問題的研究也具有重要的臨牀意義，例如攻擊性行爲在許多精神疾病（如自閉症譜系障礙和精神分裂症）中都有所體現，瞭解這些機制可以幫助開發新的治療策略，調控這些神經迴路以減輕患者的攻擊性行爲。
參考文獻：
1、Zhu, Z. et al. A substantia innominata-midbrain circuit controls a general aggressive response. Neuron109, 1540-1553.e1549, doi:10.1016/j.neuron.2021.03.002 (2021).
2、Fang, S. et al. Sexually dimorphic control of affective state processing and empathic behaviors. Neuron112, 1498-1517.e1498, doi:10.1016/j.neuron.2024.02.001 (2024).
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