過度的或反覆的恐懼刺激是導致焦慮障礙的重要因素，而恐懼的核心腦中樞是杏仁核。臨床研究發現雙側杏仁核損毀的患者仍然可以感受到恐懼並且表達恐懼情緒，提示存在杏仁核以外的恐懼情緒神經機制，然而獨立於杏仁核的恐懼情緒神經機制迄今尚不清楚。
2024年2月12日，浙江大學醫學院李曉明教授團隊在Nature Neuroscience期刊發表了題為： A molecularly defined amygdala-independent tetra-synaptic forebrain-to-hindbrain pathway for odor-driven innate fear and anxiety （一條細胞特異性的前腦至後腦四級神經環路能夠獨立於杏仁核介導嗅覺本能恐懼和焦慮） 的研究論文。
該研究發現了腦內 主嗅球→腳背側皮層→外側臂旁核→丘腦下旁核通路 在恐懼和焦慮中的重要作用 （圖1） 。
圖1：主嗅球→腳背側皮層→外側臂旁核→丘腦下旁核通路連線示意圖
嗅覺是常見的誘發動物本能恐懼的感知途徑，利用狐狸糞便中的成分類似物2,4,5-三甲基-3-噻唑啉（TMT）作為恐懼刺激源，研究成員發現皮層杏仁核和內側杏仁核神經元凋亡的小鼠表現出對TMT誘導的厭惡及凍結行為的明顯降低，但並不能完全阻斷小鼠的恐懼反應，且對TMT誘發的恐懼逃跑行為無明顯影響。那麼，哪個腦區可能介導嗅覺本能恐懼逃跑行為呢？
接下來，論文第一作者王浩博士對TMT刺激後的小鼠進行全腦Fos免疫組化染色，他發現腳背側皮層（dorsal peduncular cortex, DP）Fos表達顯著增加， DP接受主嗅球（main olfactory bulb, MOB）特異性輸入，並且MOB-DP神經環路經TMT刺激後活性顯著升高。
那麼，DP在嗅覺本能恐懼中發揮怎樣的作用呢？
“ 利用凋亡病毒抑制DP神經元功能，小鼠面對TMT刺激時不會表現出明顯的逃跑行為，並且厭惡、凍結行為也顯著降低。 ”王浩博士介紹，“ 相反利用光遺傳學的方法啟用DP會誘發小鼠產生逃跑行為，並導致瞳孔變大、心率降低等嗅覺本能恐懼樣反應。 ”
同時，研究人員對杏仁核區域性損毀的小鼠聯合給予光遺傳學抑制DP神經元功能，發現杏仁核區域性損毀聯合黃光抑制後小鼠對TMT誘發的逃跑行為幾乎消失，並且厭惡、凍結行為進一步降低。“ 有趣的是，投射至DP與皮層杏仁核的主嗅球僧帽/絲狀細胞是兩群獨立的神經元。 ”論文共同第一作者王勤博士說，“ 這些功能及結構的結果表明，DP能夠獨立於杏仁核介導嗅覺本能恐懼。 ”
那麼，DP接受主嗅球的資訊輸入後如何將天敵氣味導致的恐懼情緒傳遞下去的呢？
聯合病毒示蹤及膜片鉗電生理等技術，研究人員發現DP可以與前端淺層外側臂旁核（superior part of lateral parabrachial nucleus, PBNsl）膽囊收縮素（cholecystokinin, Cck）陽性神經元形成興奮性突觸連線，而PBNslCck+陽性神經元又可以繼續下行支配丘腦下旁核（parasubthalamic nucleus, PSTh）的速激肽1（tachykinin 1, Tac1）陽性神經元，繪製出一條具有分子特異性標記的MOBSlc17a7+→DPCamk2a+→anterior PBNslCck+→PSThTac1+四級神經環路。
那麼，這樣的四級神經環路是否介導嗅覺本能恐懼呢？
圍繞這個科學問題，博士生崔劉哲、馮筱揚等對神經環路的功能展開了進一步研究，他們發現：該神經環路在TMT誘發的嗅覺本能恐懼逃跑行為中顯著啟用（前端PBNslCck+陽性神經元單細胞鈣成像）；光遺傳學抑制這條通路顯著降低小鼠的逃跑行為，改善嗅覺本能恐懼樣行為；在皮層和內側杏仁核同時損毀的小鼠中，啟用這條通路仍然可以誘發小鼠逃跑行為並能夠模擬出嗅覺本能恐懼樣的自主神經變化。這些研究結果表明，繪製出的這條前腦至後腦的神經環路參與並能夠獨立於杏仁核調控嗅覺本能恐懼。
由於反覆、過度的恐懼刺激會導致焦慮障礙等精神疾病，接下來團隊成員研究了該通路在焦慮中的作用。“ 我們發現光遺傳學連續啟用這條通路3天，每天1小時，小鼠即表現出非常明顯的焦慮樣表型 ”，王浩博士介紹，“ 在急性束縛應激導致的焦慮樣模型小鼠中，抑制該通路則顯著逆轉小鼠的焦慮樣行為 ”。
該研究新發現一條嗅球→腳背側皮層→外側臂旁核→丘腦下旁核的四級神經環路，並揭示該通路能夠以獨立於杏仁核的方式，參與並調控嗅覺本能恐懼和焦慮。 論文通訊作者李曉明教授認為， 該研究不僅拓展並加深了人們對恐懼和焦慮神經機制的理解和認識，也為理解焦慮障礙等精神疾病的發病機制提供了新的思路。
浙江大學李曉明教授為該論文通訊作者，浙江大學醫學院附屬精神衛生中心特聘研究員王浩博士為論文的第一作者，博士後王勤、博士生崔劉哲、馮筱揚為論文的共同第一作者。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41593-023-01562-7
