【Science】除了觉醒，丘脑如何控制联合学习

昨天的文章中，我们通过陆军军医大学胡志安研究组的工作理解了丘脑室旁核（PVT）如何将我们从睡梦中唤醒[1]。醒来之后，我们便要开始学习，开始工作，今天的主角仍然是这个脑区。

说到学习，其中一种形式便是联合学习，是指环境事件与生物自身反应之间形成联系的过程。其基本假设是，两个事件A和B在一起的经验使生物在它们的内部特征之间建立联合，这种联合会由于各种因素在强度上发生变化。举个例子，如果我们每月5日领取薪水，那么当我们看到日历上的5日时，心情也会更加舒畅一些。

对于联合学习的神经学机制，早期研究普遍聚焦于大脑皮层及海马[2]。近期，科研工作者们逐渐发现了丘脑在运动准备、工作记忆、规则等联合学习过程中发挥重要作用。但是对于丘脑中调控联合学习的具体脑区及其调控机制，我们尚未可知。

丘脑

2018年9月25日，《Science》杂志刊登了另一篇有关丘脑PVT的文章，斯坦福大学陈晓科研究组发现PVT会被新奇刺激、强化性刺激、预期奖励的消失等联合学习过程激活，而抑制PVT神经活性会影响小鼠食欲、厌恶刺激的联合学习过程[3]，极大提高了人们对该领域的认知。

恭喜该研究的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院朱英杰教授，及斯坦福大学陈晓科教授课题组。

第一作者朱英杰教授

通讯作者陈晓科教授

结果

1.PVT编码奖赏、厌恶性联合学习

首先，作者使用钙成像方法，在小鼠PVT中注射AAV-GCaMP6m，并埋植光纤。他们禁水处理小鼠后，使其嗅特殊气味或给予水滴，发现起初两种刺激均可激活PVT脑区。但随着实验次数的增加，PVT对水滴的反应保持稳定，但对气味的反应逐渐消失（图1A）。

在小鼠熟悉此种气味后，作者将这种气味与奖赏性、中性、厌恶性刺激相关联，每次训练均起始于1秒条件性刺激（熟悉的气味），一段延迟后，给予小鼠非条件性刺激（不同喜恶性刺激）（图1B）。他们发现奖赏性刺激与厌恶性刺激均可激活PVT，而中性刺激不会，其中多数PVT神经元同时被奖赏性刺激与厌恶性刺激激活（图1C-E）。而且，随着刺激的奖赏性、厌恶性水平提高，小鼠PVT被激活的程度也更高（图1F-G）。

图1 PVT编码奖赏性联合学习

如果预期结果与实际产出不符，会导致预测偏差。预测偏差由很多脑区编码，为联合学习提供经验教训[4]，作者就PVT是否参与预测偏差过程展开研究。他们将条件性刺激（CS）与奖赏性或厌恶性非条件刺激（US）相结合，发现小鼠PVT对CS的反应逐渐增强，而对US的反应维持稳定（图2A，B）。对于训练完成后的小鼠，PVT对高度符合预期结果的反应与非预期结果的反应相似（图2C-F），表明PVT并不参与预测偏差过程。

图2联合学习过程中PVT神经活性动力学

2.PVT调控奖赏、厌恶性联合学习

为研究PVT活性在联合学习中的必要性，作者在小鼠PVT中注射AAV-ArchT，并埋植光纤。他们在CS时期或US时期后光抑制PVT神经元，发现小鼠均会降低舔水频率，表明小鼠未形成联合学习（图3A-D）。而在训练好的，即已形成联合学习的小鼠中，CS时期光抑制PVT并不影响其舔水行为（图3E）。此外，在go/no-go范式中，在CS时期光抑制PVT会减少小鼠在go信号下的舔水行为，而增加其在no-go信号下的舔水行为（图3F-H）。这些表明联合学习的形成需要PVT神经活性。

图3 光抑制PVT脑区影响小鼠联合学习

3.PVT编码环境依赖性联合学习

为研究内稳态对小鼠联合学习带来的影响，作者给予禁水处理后的小鼠足量饮水，使其补水充足（图4A）。他们发现，补水后小鼠PVT被CS或US激活的水平显著降低（图4B,C）。

图4 内稳态对PVT编码联合学习的影响

接着，为进一步研究环境对小鼠联合学习带来的影响，他们增加了厌恶性刺激的强度，将第六天的吹气更换为尾部电击（图5A）。第六天厌恶性刺激的增强减弱了小鼠对奖赏性刺激的联合学习，加强了小鼠对厌恶性刺激的联合学习，表现在PVT的被激活的程度以及发放水平（图5B-G）。此外，小鼠联合学习的速率也大幅延迟（图5H）。

综上，内稳态与外环境均可通过影响PVT激活水平影响小鼠联合学习。

图5 外环境对PVT编码联合学习的影响

4.奖赏缺失对PVT编码联合学习的影响

最后，类似于加强厌恶性刺激水平，作者建立奖赏缺失行为学范式。他们发现当期待的奖赏并未正常提供时，小鼠PVT在US时期缺乏被迅速激活的第一相，但一段时间内会被持续激活。而且，小鼠中断饮水后，PVT会被激活一小段时间，表明小鼠对奖赏的期待（图6A-C）。

作者假设，PVT对奖赏缺失的反应是一种联合学习过程，进而产生消退行为。为验证此假设，作者在PVT中注射AAV-Arch，并埋植光纤。他们发现奖赏缺失的确可以减少小鼠舔水行为，即消退行为；但在US或CS时期，光抑制PVT脑区会大幅延缓上述消退行为（图6D,E）。

图6 奖赏缺失对PVT编码联合学习的影响

总结

联合学习，是指环境事件与生物自身反应之间形成联系的过程，为生物体趋利避害提供基础。然而，对丘脑参与的联合学习神经机制，我们知之甚少。本篇文章结合光纤钙成像、光遗传、行为学等方法，发现PVT参与联合学习过程，是内、外环境影响联合学习的枢纽，极大提高了我们在学习、认知领域的认知，意义重大！

参考文献

1.Ren, S., et al., The paraventricular thalamus is a critical thalamic area for wakefulness. Science, 2018. 362(6413): p. 429-434.

2.Fecteau, J.H. and D.P. Munoz, Salience, relevance, and firing: a priority map for target selection. Trends Cogn Sci, 2006. 10(8): p. 382-90.

3.Zhu, Y., et al., Dynamic salience processing in paraventricular thalamus gates associative learning. Science, 2018. 362(6413): p. 423-429.

4.Cohen, J.Y., et al., Neuron-type-specific signals for reward and punishment in the ventral tegmental area. Nature, 2012. 482(7383): p. 85-8.