Nature丨美国加州理工学院David J. Anderson研究团队发现终纹床核精细控制雄性动物的攻击和交配行为

供稿 | 飘纽约大学博士后

排版 | AiBrain 编辑团队

雄性动物的攻击和交配等先天行为受到性激素的调节，雌二醇是大脑性分化的关键调节分子，通过雌激素受体1（Esr1）发挥作用。

终纹状核（BNSTpr）表达可以将雄激素转换为雌激素的芳香化酶和Esr1，因此是调节性别差异的关键脑区。BNSTpr作为中继站，可以从内侧杏仁核（MeA）接收编码性别特异性嗅觉信号的输入，随后投射到不同的下丘脑核团，分别控制攻击（腹内侧下丘脑腹外核，VMHvl）和交配行为（内侧视前区，mPOA）。

有趣的问题是BNSTpr是如何编码外界动物的性别信息呢？传统实验通过光纤记录(反映群体细胞电活动)，发现雄性居留小鼠BNSTpr-Esr1细胞对雌性入侵小鼠的嗅觉刺激有更强的反应¹，有两种解释：一是BNSTpr细胞对雌雄小鼠均有反应，但对雌性整体细胞活性比较高；二是BNSTpr含有雌雄调谐神经元，分别响应雌性与雄性入侵小鼠，但是雌性调谐神经元比例（或细胞电活动）更高。

进一步的问题是面对不同性别入侵小鼠，雄性居留小鼠是如何通过BNSTpr调节下游脑区，分别采取不同的行为策略（攻击或交配）呢？

2022年8月3日，美国加州理工学院陈天桥雒芊芊神经科学研究院David J. Anderson实验室在Nature杂志发表题为‘transformations of neural representations in a social behavior network’的研究成果²，发现BNSTpr通过精细调节VMHvl和mPOA雌雄调谐神经元的比例和细胞电活动，分别调控雄性攻击和交配行为。

抑制BNSTpr-Esr1

对攻击和交配行为的影响

小鼠攻击和交配行为均分为欲望阶段(攻击：包括靠近和探嗅等；交配：包括靠近，探嗅和发出求偶歌等)和完成阶段(攻击：包括追打，撕咬等；交配：包括骑跨，抽插和射精等)。雄性小鼠在欲望阶段会判断入侵小鼠的性别并随后采取不同的行为策略，攻击雄性而骑跨雌性。

前人研究认为雄鼠BNSTpr-Esr1神经元是社交行为中辨别雌雄性别所必需的¹，本文发现光抑制BNSTpr-Esr1虽然会降低雄鼠对雌鼠的社交偏好性，但是雄鼠依然只会对雌鼠发出求偶歌，这提示光抑制BNSTpr-Esr1并没有改变雄鼠对雌雄性别的辨别能力，只是改变了雄鼠的社交偏好。

图1 光抑制BNSTpr-Esr1雄性居留小鼠对雌雄入侵小鼠的社交偏好和求偶变化

在欲望阶段（靠近或者嗅探雌性或者雄性入侵小鼠）光抑制BNSTpr-Esr1可明显抑制随后发生攻击或交配的可能性，但是在完成阶段光抑制BNSTpr-Esr1只能终止当前发生的攻击行为，但对骑跨交配行为没有影响，这提示BNSTpr-Esr1细胞电活动不会改变当前交配行为，但是会抑制从欲望（靠近和探嗅）向完成阶段（骑跨等）的转换。

用化学遗传抑制BNSTpr-Esr1可以抑制攻击行为，但探嗅行为不变；同样可以抑制骑跨交配行为，但探嗅大大增加，这提示编码交配和探嗅的可能是不同的神经元，但是编码嗅探和攻击的细胞可能是同一群细胞。

BNSTpr-Esr1单细胞水平在体钙成像

为了验证这些假设，通过在体钙成像技术实现对BNSTpr-Esr1单细胞水平活性监测，发现雌性比雄性闯入者更能引起雄性居留小鼠的BNSTpr-Esr1神经元活性，即存在对性别的偏好性。

进一步分析发现雌雄性别信息并不是由BNST-Esr1神经元群体活性高、低决定的，而是由BNSTpr-Esr1神经元不同亚群实现的：雌性调谐神经元和雄性调谐神经元，前者数量大约是后者的2倍。

图2 BNSTpr-Esr1的雌雄调谐神经元比例

抑制BNSTpr-Esr1

观察下游脑区细胞电活动

之前研究表明BNSTpr直接投射到VMHvl和mPOA的环路编码特定性别信息。但在用化学遗传抑制BNSTpr-Esr1神经元后并没有影响VMHvl和mPOA区域特定性别的信息表征，但改变了雌性和雄性调谐神经元的比例，使雌性调谐神经元比例增加。

图3 VMHvl和mPOA在BNSTpr-Esr1抑制前后，雌雄调谐神经元比例的变化

具体来说，VMHvl区域神经元在响应嗅探和攻击行为中存在很高程度的重叠。在抑制BNSTpr-Esr1神经元活性后并不影响上述行为相关的神经元活性表征，但降低了攻击行为相关的神经元活性。

而MPOA区域神经元在响应嗅探和骑跨雌性小鼠的不同交配行为时存在明显的差异，在抑制BNSTpr-Esr1神经元活性后，这种神经元活性差异性被削弱，骑跨行为相关的神经元活性明显降低，响应嗅探行为的神经元活性增加。

这些结果表明抑制BNSTpr-Esr1神经元活性引起VMHvl和MPOA行为学表征的差异性。单细胞水平编码分析与实验一的行为学结果也是相互一致的。

图4 VMHvl和mPOA在BNSTpr-Esr1抑制前后，响应不同行为的神经元表征

结论

本文揭示了BNSTpr-Esr1神经元并不是在社交行为中辨别雌雄性别所必需的。相反，该核团通过重塑下丘脑中的性别和行为特异性神经元活性表征，控制雄性小鼠从欲望阶段向完成阶段的社会行为的转变。

美国加州理工学院博士后Bin Yang为第一作者，David J.Anderson为通讯作者。

Professor David J.Anderson

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05057-6

参考文献：

1 Bayless, D. W. et al. Limbic Neurons Shape Sex Recognition and Social Behavior in Sexually Naive Males. Cell 176, 1190-1205.e1120, doi:10.1016/j.cell.2018.12.041 (2019).

2 Yang, B., Karigo, T. & Anderson, D. J. Transformations of neural representations in a social behaviour network. Nature 608, 741-749, doi:10.1038/s41586-022-05057-6 (2022).

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