眼眶前额皮层神经元编码来自背侧中缝核的奖赏信息

2015年2月11日，我所罗敏敏实验室在Journal of Neuroscience发表题为“Prospective Coding of Dorsal Raphe Reward Signals by the Orbitofrontal Cortex”的文章。

眼眶前额皮层(orbitofrontal cortex,OFC)因在人类的中枢神经系统中位于眼眶的正上方而得名。OFC是啮齿类动物与灵长类相似度最高的前额皮层。OFC在学习和经济决策的认知处理方面起着重要的作用。过去在猴子和大鼠中报道的单细胞记录研究表明，OFC神经元可以预测奖赏结果。位于中脑的背侧中缝核(dorsal raphenucleus, DRN)与OFC之间有着紧密的相互投射。DRN是主要的五羟色胺投射神经元的来源，同时也会释放其它神经递质，比如谷氨酸和多巴胺。罗敏敏实验室2014年发表在Neuron上的文章证明了DRN神经元可以通过释放五羟色胺和谷氨酸产生奖赏信号。DRN神经元可以广泛投射到几乎所有的脑区，参与很多功能的调控。我们还不清楚的是，DRN神经元的奖赏信号如何被传播到前脑，而前脑的神经元又如何被DRN的奖赏信号所影响和改变。在这篇文章里，我们发现了OFC神经元的编码特性可以被DRN的奖赏信号所调节。

为了利用小鼠在光遗传学上的优势，我们首先使用多通道记录方法验证了小鼠的OFC神经元的编码特征与猴子和大鼠是一致的。我们训练小鼠将不同的气味刺激和蔗糖溶液奖赏建立起巴普洛夫条件反射。结果显示，小鼠的OFC神经元与大鼠和猴子的OFC神经元在编码对奖赏信息的预测方面有非常强的相似性。小鼠OFC神经元对气味刺激的反应依赖于气味所预测的奖赏信息。如果奖赏的结果没有差别，OFC神经元对气味本身表现出很弱的选择性。

我们结合行为动物多通道电生理记录和光遗传学技术，发现光激活DRN可以调节OFC神经元的自发放电。在20Hz的光刺激下，31%的OFC神经元被显著性激活，10%的OFC神经元被抑制。5 Hz的光刺激导致稍微弱一些的反应(26%兴奋，6%抑制)。这证明了DRN到OFC有很强的功能性的投射。

接下来，我们训练动物将不同的气味刺激和延迟的光激活DRN建立起巴普洛夫条件反射。完成训练之后，OFC神经元在等待激活DRN的期间也可以产生类似于等待蔗糖溶液的兴奋性或者抑制性的反应。66%的OFC神经元在等待期间被激活或者抑制。OFC神经元反应的强度可以被光刺激的频率和时间长度所调节。但是，也有一部分OFC神经元特异性地只对糖水或者光激活DRN有预测性的反应。这说明OFC神经元不仅可以把不同种类的奖赏信息转化为统一价值信息，而且保留了不同奖赏信息的特殊属性。另外，在动物获得糖水的同时激活DRN神经元可以双向调节OFC神经元对气味刺激的反应。

这些实验证明，DRN神经元的奖赏信号可以被整合到已知的奖赏系统，并能够导致皮层对奖赏信号编码特征的改变，从而影响高级的认知与决策。

我所PTN项目博士生周景峰为本文第一作者，其它作者包括我所罗敏敏实验室贾春莹，冯琦茹和鲍君红。罗敏敏博士为本文通讯作者。该研究由科技部973及北京市政府资助，在北京生命科学研究所完成。