Neuron丨段树民团队揭示雄性更具有攻击性的环路基础

自然界中，无论是人类还是还是其他大多数动物，雄性都更具有攻击性，但这背后的神经机制尚未完全阐释。

2024年7月17日，段树民院士团队在《Neuron》杂志上发表的文章《A hypothalamic-amygdala circuit underlying sexually dimorphic aggression》中，通过一系列实验揭示了下丘脑-杏仁核回路（VMHv1-pSI）在性别二态性攻击行为中的作用，详细介绍了该回路的结构和功能。

图1：药理遗传学激活VMHvlEsr1神经元诱导雄性特异性攻击

首先，研究人员使用药理遗传学方法，通过在小鼠VMHvlEsr1神经元中引入Cre依赖性DREADDq受体，并通过腹腔注射CNO激活这些神经元。行为实验记录了雄性和雌性小鼠的攻击行为。CNO注射显著增加了雄性小鼠的攻击行为，而雌性小鼠未观察到明显攻击行为。c-Fos表达分析显示，VMHvlEsr1神经元的激活在雄性和雌性小鼠中相似，但雄性小鼠的pSI区域表现出更高的c-Fos表达，这种投射只发生在注射点同侧脑区。VMHvlEsr1神经元的激活导致雄性小鼠显著的攻击行为，而雌性小鼠中未观察到同样的效应，表明该回路在性别二态性攻击行为中的重要作用。

图2：VMHvl和pSI之间的神经回路介导雄性攻击行为

为了证明VMHvlEsr1-pSI环路确实在雄性攻击行为中起作用，研究人员通过顺行示踪和光遗传学方法，标记并激活VMHvl到pSI的神经投射，同时使用光遗传学抑制pSI神经元（GtACR1元件），结果发现激活VMHvl神经元显著促进雄性小鼠的攻击行为，而抑制pSI神经元则阻断了这一效应。进一步的实验显示，VMHvl到pSI的投射终端激活可以通过抑制pSI神经元来调控攻击行为，这说明VMHvl和pSI之间的层次化神经回路在雄性小鼠的攻击行为中起关键作用。

图3：VMHvl-pSI-PAG回路在雄性攻击中的作用

之前有研究表明投射到中脑导水管附近灰质（PAG）的pSI神经元（pSI-PAG）介导了攻击行为1，研究人员通过反向跨突触示踪技术，标记并研究了pSI-PAG神经元的连接。通过电生理记录测量VMHvl投射至pSI-PAG神经元的兴奋性突触后电流（EPSCs）。结果表明，VMHvl与pSI-PAG神经元之间存在密集的功能性连接。抑制VMHvl神经元可以显著减少由pSI-PAG神经元激活引起的攻击行为。因此VMHvl-pSI-PAG回路在雄性小鼠的攻击行为中具有重要作用，且该回路呈现出层次化组织。

图4：VMHvlCaMKII-pSI和VMHvlVGAT-pSI投射在雄性攻击行为中的双向调节

上述结果介绍了该环路的功能，但是该环路在雌雄之间有什么差异造成了攻击性的差异呢？一个假设就是兴奋性和抑制性神经元存在性别特异性。研究人员使用光遗传学和电生理记录技术，研究了VMHvl到pSI的兴奋性和抑制性投射在雄性和雌性小鼠中的作用：光遗传学激活VMHvlCaMKII-pSI投射显著增加雄性小鼠的攻击行为，而激活VMHvlVGAT-pSI投射则减少攻击行为。这一效应在雌性小鼠中不明显。VMHvlCaMKII-pSI和VMHvlVGAT-pSI投射分别促进和抑制雄性小鼠的攻击行为，表现出性别特异性。

图5：VMHvlEsr1-pSI投射诱导雄性偏向的攻击行为

研究人员通过光遗传学激活VMHvlEsr1-pSI投射，观察雄性和雌性小鼠的攻击和交配行为。光激活VMHvlEsr1-pSI投射显著诱导雄性小鼠的攻击行为，但在雌性小鼠中仅引发轻微的攻击行为。未观察到显著的交配行为。VMHvlEsr1-pSI投射在雄性小鼠中促进攻击行为，而在雌性小鼠中的作用较弱，显示出性别偏向性。

图6：VMHvlEsr1神经元到pSI的性别二态性突触传递

通过顺行病毒示踪和电生理记录，研究了VMHvlEsr1神经元在雄性和雌性小鼠中的兴奋性和抑制性突触传递。雄性小鼠的VMHvlEsr1神经元在pSI中的兴奋性突触终端密度更高，而雌性小鼠的抑制性突触终端密度更高。电生理记录证实，VMHvlEsr1神经元在雄性小鼠中主要提供兴奋性输入，而在雌性小鼠中主要提供抑制性输入。这说明VMHvlEsr1神经元到pSI的突触传递在性别上表现出明显的差异，这可能解释了雄性和雌性小鼠攻击行为的不同。

图7：VMHvlEsr1神经元激活引起的pSI神经元活动的性别差异

之后作者使用使用光纤和体内电生理记录，研究了在光激活VMHvlEsr1-pSI投射时pSI神经元的钙离子活动和多单元活动。光激活VMHvlEsr1-pSI投射在雄性小鼠中引起的pSI神经元活动显著高于雌性小鼠。体内电生理记录显示，雄性小鼠的pSI神经元在光激活期间表现出更强的兴奋性反应，而雌性则表现出更强的抑制性反应。该项结果说明VMHvlEsr1神经元的激活在雄性小鼠中引起更强的pSI神经元兴奋，可能导致雄性偏向的攻击行为。

结论

本研究揭示了VMHvl到pSI的下丘脑-杏仁核回路在性别二态性攻击行为中的关键作用。雄性小鼠的兴奋性输入和雌性小鼠的抑制性输入的差异导致了攻击行为的性别偏向。这一发现为理解性别差异的神经机制提供了新的视角，并可能为开发新的行为干预方法提供理论基础。雌雄差异导致的神经环路的不同是神经科学领域重要的科学问题，例如今年中山大学李勃兴团队发现了雌雄共情行为差异的神经环路2。对这些问题的研究也具有重要的临床意义，例如攻击性行为在许多精神疾病（如自闭症谱系障碍和精神分裂症）中都有所体现，了解这些机制可以帮助开发新的治疗策略，调控这些神经回路以减轻患者的攻击性行为。

参考文献：

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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