前额叶中投射到背内侧纹状体和岛叶皮层的神经元调控奖赏学习
Prefrontal Neurons Projecting to the Dorsomedial Striatum and Insular Cortex Support Reward Learning
任百慧1,2 • 邵孟孟1,2 • 孔庆丹1,2 • 马小波1,2 • 黄东萍1,2 • 何苗3 • 邰一琳3* • 吕江腾1,2*
1上海交通大学医学院附属松江医院检验科，松江研究院，上海市情绪与情感障碍重点实验室，上海 201600，中国
2上海交通大学医学院基础医学院解剖学与生理学系，上海 200025，中国
3复旦大学脑科学研究院，脑功能与脑疾病全国重点实验室，教育部脑科学前沿科学中心，上海 200032，中国
第一作者：任百慧
通讯作者：邰一琳、吕江腾
内侧前额叶皮层（mPFC）在奖赏驱动的行为调控中发挥核心作用，其锥体神经元通过广泛投射将信息传递至多个下游脑区。然而，同一投射通路内部是否还存在基于更精细投射模式的功能分化，以及这些亚群在奖赏学习中的具体作用，仍不清楚。本研究鉴定出一类同时投射至背内侧纹状体（DMS）和对侧前岛叶皮层（aIC）的mPFC双投射神经元（mPFCDMS+aIC神经元），并解析了其在奖赏学习中的功能。
首先，研究人员通过病毒示踪技术结合单神经元投射数据库分析，验证了mPFC-DMS通路中存在基于轴突侧支的精细投射模式。接着，研究人员利用“取交-取补”转基因小鼠配合逆向病毒标记，特异性标记了mPFC中同时投射至DMS和对侧aIC的神经元。这类神经元亚群主要分布于前边缘皮层（PrL）和下边缘皮层（IL）的第2/3层和第5层，其电生理特性与典型锥体神经元一致。
光纤光度记录结果显示，在头固定奖赏关联学习任务中，mPFCDMS+aIC神经元对条件性刺激（CS）的响应在学习早期和晚期保持稳定，而对非条件刺激（US，水奖赏）的响应则随学习进程显著增强。即使只分析成功获赏的试次，该增强效应依然存在。同时，研究人员还对舔舐频率与钙信号进行逐试次相关性分析，确认钙信号变化并非由舔舐动作引起。单细胞钙成像进一步揭示，学习后US响应神经元比例显著上升，单个神经元对US的反应强度也明显增大；而CS响应神经元无明显变化。这些结果说明，学习选择性地增强了US对这群神经元的招募。
为验证mPFCDMS+aIC神经元的活动如何调控奖赏学习，研究人员在CS期或US期分别进行光遗传抑制。结果发现，CS期抑制不影响小鼠的条件性舔舐学习；而US期抑制则显著损害学习效果，表现为舔舐频率和行为准确度均较对照组降低。这证明mPFCDMS+aIC神经元在US期的活动是奖赏学习所必需的，而CS期活动则非必要。
综上所述，本研究综合运用环路示踪、钙成像和光遗传等技术，鉴定了一类由双投射模式定义的mPFC神经元亚群，并发现其对奖赏刺激表现出学习依赖性的活动增强，且US期活动是CS-US关联建立的必要条件。这一发现丰富了对前额叶输出组织原则的理解，同时也提示，支配多个下游靶点的神经元亚群可能在协调不同脑区的学习信号中发挥独特作用。
图1
奖赏学习增强mPFCDMS+aIC神经元对US的反应。A 光纤记录实验中mPFCDMS+aIC神经元的病毒注射策略示意图（左）与病毒表达和光纤位置痕迹图（右）。B 小鼠在头固定状态下进行奖赏关联学习任务示意图。C 小鼠在奖赏学习早期（S1）和晚期（S8）的舔舐时间栅格图与平均舔舐频率。D 同小鼠在S1和S8的钙信号热图及平均钙信号迹线（Z-score）。E 所有小鼠学习过程中的行为变化曲线。学习过程分为8个训练阶段：上方为各训练期CS onset后的舔舐频率及行为准确率。F mPFCDMS+aIC神经元S1与S8所有试次响应CS的平均钙信号活动（Z-score）与对CS反应的曲线下面积（AUC）。G mPFCDMS+aIC神经元S1与S8所有试次响应US的平均钙信号活动（Z-score）与对US反应的曲线下面积（AUC）。H mPFCDMS+aIC神经元S1与S8奖赏试次（根据CS后是否在反应时间窗内舔舐水嘴筛选）响应CS的平均钙信号活动（Z-score）与对CS反应曲线下面积（AUC）。I mPFCDMS+aIC神经元S1与S8奖赏试次（根据CS后是否在反应时间窗内舔舐水嘴筛选）响应US的平均钙信号活动（Z-score）与对US反应曲线下面积（AUC）。J 对S1和S8时CS后2 s内神经元活动与舔舐频率进行逐试次皮尔逊相关系数分析，横坐标代表r值，纵坐标代表动物数量，蓝色柱体为显著相关（P < 0.05）的个体。K 同（J），分析了US后2 s内神经元活动与舔舐频率的相关性。
图2
光遗传抑制US期mPFCDMS+aIC神经元活动会干扰奖赏学习。A 光遗传实验中mPFCDMS+aIC神经元的病毒注射和给光策略示意图（左）与病毒表达和光纤位置痕迹图（右）。B 离体脑片电生理测试光抑制病毒有效性。C&D 在奖赏关联学习的CS期间进行光遗传抑制mPFCDMS+aIC神经元活性时,光抑制组（C）与对照组（D）的示例小鼠在S1和S8的舔舐时间栅格图（上）及平均舔舐频率（下），黄色区域表示560nm激光刺激（CS后持续给光2 s）。E CS期抑制实验中，光抑制组和对照组在整个学习过程中CS后小鼠在反应时间窗内的舔舐频率（上）与行为准确率（下）的变化情况。F&G 在奖赏关联学习的US期间进行光遗传抑制mPFCDMS+aIC神经元活性时光抑制组（F）与对照组（G）的示例小鼠在S1和S8的舔舐时间栅格图（上）及平均舔舐频率（下），黄色区域表示560nm激光刺激（US后持续给光3 s）。H US期抑制实验中，光抑制组和对照组在整个学习过程中CS后小鼠在反应时间窗内的舔舐频率（上）与行为准确率（下）的变化情况。
关键词：内侧前额叶皮层；双投射神经元；背内侧纹状体；前岛叶皮层；奖赏学习
https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-026-01685-4
