饥饿状态调控视觉危险刺激引发的本能防御行为的神经环路机制研究

This study aims to analyze the neural circuit mechanism of the modulation of the visual stimulation evoked innate defensive behaviors by fasting. Mice are chosen as the research object. Basing on the phenotypes and the neural circuit mechanisms of the mice innate defensive behaviors the team has acquired, and integrating optogenetics and chemical genetics modulating, neural circuits tracing, single-cell transcriptome analyzing, and multi-brain region electrophysiological recording and calcium imaging in free-moving mice, we would: 1) on the behavior/metabolism level, analyze the modulation of innate defensive behaviors by fasting; 2) on the neural circuit connectome level, draw the atlas of the hunger-foraging circuit and the innate defensive circuit including the multistage projection and the neuron classification; 3) on the neural circuit modulation level, analyze the modulation mechanism of innate defensive circuit by hunger-fasting circuit in detail. Through this study, we would clarify the critical sites by which the hunger-foraging circuit modulating the innate defensive circuit, and acquire the electrophysiological and calcium imaging data of the direct multi-site modulation of the innate defensive circuit by the hunger-foraging circuit. This study will lay the foundation for understanding the “optimal solution”, which is formed during the evolution of the organism together with the environment, of the modulation between innate behaviors; and through light on understanding the pathogenesis of some mental diseases. As a result, this study is meaningful for both science and transformation.

目标：解析不同饥饿状态调控和视觉刺激引发的本能防御行为的神经机制。将以小鼠为研究对象，基于团队已获取的小鼠本能防御行为特征和神经环路基础，整合觅食与视觉本能恐惧范式建立新的行为范式，整合光遗传和化学遗传调控、神经环路示踪、单细胞转录组分析、自由活动动物多脑区电生理和钙成像记录等技术，1）在行为/代谢层面，研究不同饥饿状态对本能防御行为的调控作用；2）在神经环路连接层面，绘制饥饿-觅食环路调控本能防御环路的多级投射和神经元分类图谱；3）在环路调控机制层面，解析饥饿-觅食环路对本能防御环路的精细调控方式。通过此研究将：阐明饥饿-觅食环路调控本能防御环路的关键位点；并获取饥饿-觅食环路在多个位点直接调控本能防御环路的电生理和荧光成像数据。为深刻理解生物与环境长期共同演化而形成的本能行为之间相互调控的“最优解”奠定基础，也为解析精神疾病的发生机制提供新思路。因而，此研究将具有重要的科学和转化意义。

本研究从实验系统建立、本能防御行为的量化研究、“进食-逃跑困境”研究范式的建立、行为学分析和神经环路解析等几个层面，对饥饿状态调控视觉危险刺激引发的本能防御行为的神经环路进行了研究。.行为学研究通常使用摄像机拍摄动物的行为，人为进行各种刺激。在我们的研究中，需要先后呈现食物和视觉危险刺激，操作复杂，实验结果容易受到实验者的操作习惯的影响。为了高效得到客观准确的数据，我们建立了基于红外触控轨迹检测的小动物自动行为学监测系统，该系统可以实时（60Hz）记录动物的位置，实时计算动物的轨迹和速度，并可根据这些参数预设触发条件，自动触发各种刺激，在最大化排除实验者操作的潜在影响的同时，极大地提高了效率。经测评，红外触控检测可以记录到比视频更加准确的轨迹和速度。我们已将这套系统升级为可以兼容多种行为范式和检测方法的自动化行为学实验平台。.利用这套系统，我们首先对本能防御行为进行了量化研究。视觉危险刺激可简化为扩大的圆盘形阴影，我们连续改变其扩大速度和大小，发现特定大小和速度变化范围内的阴影刺激最容易引发小鼠的逃跑行为，称为“警戒范围”。有趣的是，猛禽等捕食者的形态恰好在“警戒范围”内，而昆虫等非捕食者的形态则在“警戒范围”之外，由此推测小鼠在进化中形成了一种应对危险的简单策略：检测到“警戒范围”内的视觉刺激就逃跑。.我们进一步对小鼠进行了饥饿处理，并呈现食物和视觉危险刺激。我们发现，当食物近在眼前的时候，饥饿的小鼠即使面对“警戒范围”内的视觉危险刺激也无法表现出显著的逃跑行为，而在没有食物的情况下则会快速逃跑。可见饥饿状态下对食物的预期，而非饥饿本身，能够显著抑制逃跑行为。我们结合光纤荧光记录、光遗传学和化学遗传学等方法，发现下丘脑桶状核可能是进食调控逃跑行为的关键脑区，进一步通过神经环路示踪和光遗传学的方法发现，进食对逃跑行为的抑制可能是通过抑制腹侧被盖区逃跑相关神经环路实现的。