研究背景：

    胜者效应（winner effect）指的是在先前的竞争中获胜的个体，在随后的冲突中更有攻击性并再次胜出。这种现象在动物界和人类社会中广泛存在，其本质是胜利的竞争经验可以改变胜利个体的攻击性行为，体现了其背后神经环路的可塑性。以往的研究已经发现，攻击性行为的增强与神经可塑性（神经元之间的连接强度和效率变化）有关，竞争的胜利或者失败，会影响大脑中多个脑区神经元可塑性，如中丘脑核 （medial thalamus）到中间前额叶（medial prefrontal cortex），外侧背缰核（lateral habenula，LHB）等,其神经连接被发现会在多次竞争胜利或失败后被改变，改变其神经连接的强度可以抑制“胜者效应”。本文聚焦于“胜者效应”中调控攻击行为的神经环路的变化，围绕调控攻击行为的下丘脑腹内侧核（ventromedial hypothalamus，VMH）和后杏仁核（posterior amygdala，PA）神经环路，揭示“胜者效应”过程中的动物行为变化的神经机制。 

科学问题：

    “胜者效应”背后的神经机制：调控攻击行为的神经回路在“胜者效应”的形成中的变化。

研究内容：

1. 多次获胜后攻击行为的改变

    首先，研究者通过将不具攻击性的BALB/c(BC)雄性小鼠放至单独饲养的C57雄性小鼠饲养笼中，从而观察小鼠对于外来者的攻击行为。研究者发现的经历获胜次数越多的小鼠，对于熟悉外来者的攻击行为更快且时间更长，非攻击社交行为减少，呈现出“胜者效应”（Fig.1A-E）。其中，不同时长的获胜经历对动物行为会产生不同的影响：短期获胜会短暂地提高动物的攻击性，但是在单独饲养一周后可恢复如初；长期获胜（10天）的动物，即使在单独饲养一周后仍然的攻击性仍旧增强。不仅如此，即使面对体型更大的且具有攻击性的外来者（SW雄鼠），连续多次的胜利经历（10天）也显著增强了C57雄鼠的攻击性行为（Fig.1R-V）。

Fig.1 | 多次获胜经历增强雄鼠的攻击行为

2. 多次获胜后VMHvl^Esr1神经元的反应的增加

    在“胜者效应”中动物行为的变化体现了其背后神经环路的改变，考虑到VMHvl中表达雌激素受体alpha的神经元（VMHvl^Esr1）在攻击行为中的关键作用，研究者便通过光纤记录的技术，记录了这些神经元在多次胜利后对于攻击行为的诱发信号（如靠近的BC小鼠或者玩具）的反应（Fig.2A-C）。结果表明：多次的胜利经历逐步增加了VMHvl^Esr1对于靠近的BC雄鼠的反应，并远大于对于雌鼠或玩具鼠的反应（Fig.2D-F）；而没有胜利经验和不具有攻击性的小鼠中，VMHvl^Esr1对于BC雄鼠和雌鼠的反应则没有显著差异（Fig.2G-I）。

Fig.2 | 多次胜利中VMHvl^Esr1神经元的反应提升

3. 多次获胜中VMHvl^Esr1神经元的突触传递效率和棘突的改变

    之后，为了进一步研究VMHvl^Esr1是否在“胜者效应”中存在突触和细胞水平层面上的改变，研究者对具有不同时长的获胜经历的小鼠中的VMHvl^Esr1细胞进行了离体电膜片钳记录（Fig.3A-C）。结果表明，具有1天和5天胜利经验的小鼠上的VMHvl^Esr1细胞的自发性的兴奋性突触后电流频率（sEPSC）和微小型突触后电流（mEPSC）频率显著增加，但这种情况在10天胜利经验的小鼠却没有（与没有胜利经验的小鼠相似，并显著低于1天和5天）。mEPSC的幅度随着获胜次数的增加而增大（Fig.3D-I）。这些结果表明，多次获胜经历导致了VMHvl^Esr1细胞的兴奋性突触传递的动态和复杂变化，表现为mEPSC频率的增加和幅度的逐渐增加。

    由于兴奋性突触后传递发生在树棘突上，其密度的变化可以解释以上观察到的s/mEPSC的改变，因此，研究者根据形态的特征，对VMHvl^Esr1不同类型的棘突进行了染色，观察和计数，结果显示，在反复获胜1天和5天的小鼠中，棘突的总体密度是显著增加，尤其是 thin spines和filopodia 类型，但是在反复获胜10天的小鼠中，棘突的密度却是下降的（Fig.3J-Q）。其中，mushroom类型是下降最少的，其头部体积反而是逐渐增加（Fig.3P-Q）。由于不同的类型的树棘突性质不同：mushroom类型十分稳定，存在时间为几个月，介导的突触电流最大；而其他类型棘突则不稳定，存在时间从几分钟到几天不等。因此，这些实验结果就提示了“胜者效应”过程中存在着多种VMHvl^Esr1神经连接的改变，有的是稳定的、长久存在的，也有不稳定的、短暂存在的，这也与动物行为上的表现一致。

Fig.3 | 多次获胜中VMHvl^Esr1神经元的突触传递效率和树棘突的改变

4. 多次获胜中PA-VMHvl的突触传递的增强

    由于后杏仁核（PA)是VMHvl的主要兴奋性输入来源，并且，之前的研究工作发现，PA-VMHvl的神经连接在5天的获胜经历后可以得到增强，所以，研究者尝试回答“10天的获胜经历对于PA-VMHvl的神经连接的影响是如何的？是长久或短暂的？”。利用离体膜片钳技术和光遗传技术（Fig.4A-C），研究者发现，在多次获胜（5天和10天）小鼠的PA-VMHvl上，光诱发的兴奋性突触后电流（oEPSC）幅度增加，而在社交互动（未有攻击行为）小鼠中没有变化（Fig.4D-F），这表明PA-VMHvl神经连接的增强依赖于获胜经历。与之形成对比的是，光诱发的抑制性突触后电流（oIPSC）幅度并没有受到获胜经历的影响（Fig.4G-I）。研究者进一步还发现，paired-pulse ratio (PPR)随着获胜经历增加而减少（Fig.4J-K），提示突触前的PA细胞在反复获胜后递质释放的减少。另外，AMPA/NMDA ratio随着获胜经历增加而增加（Fig.4L-M），这就表明多次获胜的经历对于PA-VMHvl的突触前/后都产生了影响。研究者还利用在体的光电极和光遗传，对反复获胜小鼠的PA-VMHvl的神经连接进行观测，光诱发的局部场点位（oLFP）结果显示，反复获胜的小鼠的PA-VMHvl的神经连接得到了持久性的增加（Fig.4N-T）。

Fig.4 | 多次获胜中PA-VMHvl的突触传递的增强

5. 短暂出现的VMHvl内部神经连接

    由于PA-VMHvl的神经输入在10天获胜中是持久性的增强，研究者怀疑：之前观察到的由于多次获胜而增加的那些不稳定的、短暂存在类型的树棘突可能是VMHvl内部的突触连接？针对这个问题，研究者在VMHvl^Esr1细胞中特异性表达hM4Di，随后在离体膜片钳记录时，对VMHvl内部神经连接进行抑制，结果发现，有1天和5天获胜经历的小鼠中sEPSP频率的增加现象，在给予CNO后便消失了（Fig.5A-L），这就表明这些获胜者的sEPSC频率的增加主要是依赖于VMHvl内部的神经连接。不仅如此，研究者结合光遗传学和药物阻断，发现了VMHvl内部神经连的确在1天和5天的获胜中有显著增加，但10天并没有（Fig.5M-W）。这些实验结果就显示了mEPSC 和树棘突密度在1天和5天的胜者效应中的变化，很可能反映的是VMHvl内部神经连接的增强。

Fig.5 | 多次获胜中VMHvl内部神经连接的短暂增强

6. 多次获胜后VMHvl^Esr1细胞原有特征的改变

    研究者还发现，VMHvl^Esr1细胞的原有特征发生了改变，表现为5天和10天获胜后的小鼠中，VMHvl^Esr1细胞的动作电位的发放率提高，对于兴奋性的输入的敏感性增强，静息膜电位升高。其中，在10天获胜经历的小鼠中，还出现了基电流（rheobase）减少，输入阻抗（input resistance）增加等现象。这些改变仅限于具有获胜经验的小鼠，在没有获胜经验的小鼠中并未观察到（Fig.6）。综合这些结果，可以发现：多次获胜的经历使得VMHvl^Esr1细胞兴奋性得到了增强。

Fig.6 | 多次获胜后VMHvl^Esr1细胞兴奋性的增强

总结：

    该研究聚焦于“胜者效应”中获胜经历过程中的行为学变化，对其背后的神经机制展开深入探索：从“胜者效应”的动物行为模式变化入手，根据行为学表现寻找到10天内“胜者效应”的变化过程和切入点，再结合过往研究，从攻击性行为的调控脑区VMHvl及其中Esr1神经元切入，利用光纤记录技术进行确认，进而再通过离体和在体电生理记录技术，结合光/化学遗传学技术，对VMHvl^Esr1的输入和内部的突触连接展开研究，并通过荧光成像对树突的突触形态进行细致刻画，层层剖析，在多个层面对“胜者效应”过程中的行为表现进行了神经机制的解析。

作者介绍：

Dayu Lin, Ph.D

林大宇教授

NYU 美国纽约大学

研究领域：社交行为的神经环路，社交行为的可塑性，神经环路的研究技术（如病毒示踪，光/药遗传学，多光纤记录技术，双光子成像，在体电生理，脑片记录，分子工程学，RNA测序，免疫组化和计算模型）

原文引索：

https://www.sciencedirect.com/science/

article/pii/S0092867424010882?via%3Dihub

注：本文仅为作者个人解读，如有纰漏，请参考原文

撰文：李钟，卞一凡

审稿：李钟

编辑：成美君