众所周知，作为身体中最复杂的器官，大脑，将各种感觉信息转换为不同的神经信号进而调控运动，这些调控行为中，尤为神秘的问题之一是：大脑究竟是如何编码社会经验，进而影响本能行为的选择。2023年2月10日，北京脑科学与类脑研究中心李莹实验室在Science发表的一项研究，便是探索了一种本能社会经验——性经验与大脑的关系。 已有研究表明，社会经验，尤其是性经验，可以引起社会行为相关神经回路的长期改变，并影响社会信息区分、交配、打斗和照顾幼崽等本能行为[1-4]。然而，关于哪些神经环路编码性经验并影响本能行为抉择并不清楚。 在小鼠中，雄性和雌性动物成功交配后通常会失去交配兴趣，即达到性饱足状态[5]。这种内部状态的改变不仅可以避免寻找新伴侣所面临的风险和精力浪费，对提高子代繁殖率也至关重要[6]。然而关于两性大脑中是否存在特异的神经环路编码性饱足状态，以及该编码如何长期影响个体行为抉择并不清楚。 李莹实验室的这项研究首次在小鼠大脑边缘系统的终纹床核中发现可以持续编码过往性经验的神经环路，阐明了性经验如何影响两性动物的交配动机，也为理解大脑如何编码行为动机，并影响本能行为抉择这一重要科学问题提供了新见解。 正常的健康成年雄性小鼠遇到雌鼠会立即上前贴贴、求交往（嗅探阶段），然后，往往，几分钟之内，雄鼠便开始试图爬跨，要进入实质行为了。 此时，如果该雌鼠正处于发情期，她会表现出典型的接受行为（如脊柱前凸），否则会通过坐下或逃离拒绝雄性。成功交配后，雄性和雌性通常会失去交配兴趣，即进入性饱足期 [7-8]。当然，对于有不同经历或处于不同状态的个体，性饱足期可能持续数个小时到数天。 该项研究就从性饱足开始了。 1 调控小鼠性饱足的关键神经元 那么，究竟什么是导致小鼠性饱足的关键因素呢？ 研究人员设计雌雄小鼠经历多次插入但在射精前与伴侣分开（这种情况下雄鼠不会射精）的对照组，发现对照组没有表现出性饱足，这表明射精是驱动两性性饱足状态的关键事件 。 图1. 射精是导致两性动物进入性饱足状态的关键事件 再抓来只经历了3-5次插入但没有射精的雄鼠，与完成射精的雄鼠进行比较，发现，后者终纹床核（BNST）脑区中Fos+神经元数量变化最大。因此，研究人员聚焦在BNST脑区进行深入研究。 之后，通过在自由运动的小鼠中进行钙成像，发现大量BNSTEsr2神经元（>50%）在雄性动物射精以及雌性动物感受到射精时均被强烈激活，而在交配的其他阶段则没有明显反应。 雌雄分离后，射精激活的BNSTEsr2神经元反应显著降低，但有一部分神经元在射精结束后30分钟仍保持较强的自发活动，提示这部分神经元可能编码持续性饱足状态。 为了进一步检查BNSTEsr2神经元活动是否编码性饱足状态，研究人员将只进行过社会接触、交配但没有性饱足的雄鼠，与交配后达到性饱足的雄鼠独处时的自发放电作比较，发现与未达性饱足的雄鼠相比，达到性饱足的雄鼠相关神经元细胞变得非常活跃，并且这种现象可以在整个性饱足期持续数天。当雄鼠恢复交配能力后，神经细胞活跃水平就会恢复到基线水平，并在再次交配且达到性饱足后重新升高。 在达到性饱足的两性小鼠中，如果利用化学遗传学方法抑制BNSTEsr2神经元活动，能在短时间（30min以内）恢复其交配能力。而通过Caspase3选择性杀掉雄性小鼠的BNSTEsr2神经元,小鼠能够持续交配数天，即无法达到性饱足状态。相反，在嗅探阶段而不是交配开始以后激活BNSTEsr2神经元可以抑制正常雄性小鼠交配起始，这些发现进一步表明BNSTEsr2神经元在抑制交配动机而不是交配动作方面发挥了重要的作用。 2 性经验的作用 为了解BNSTEsr2神经活动持续变化的机制，研究人员使用全细胞膜片钳方法，分别在无性经验、性饱足和交配能力恢复的两性小鼠中，记录了BNSTEsr2神经元的电生理特性。 在雄性和雌性小鼠中，与无性经验和交配能力恢复的小鼠相比，性饱足（交配后36-48 小时）小鼠具有更多BNSTEsr2神经元表现出更高兴奋性。尽管输入电阻和膜电容相当，但在性饱足的BNSTEsr2神经元中，静息膜电位 (RMP) 最高，而rheobases（引发全或无放电所需的最负阶跃电流）最低，提示较小的去极化即可激发动作电位。这种变化在行为恢复的小鼠中大部分恢复，进一步证明了过度兴奋的BNSTEsr2神经元在编码性饱足状态中的作用。 对已有的BNST单细胞测序结果进行分析，研究人员发现BNSTEsr2神经元中注入负电流显示去极化“下垂”电压，主要由超极化激活的环核苷酸门控 (HCN) 阳离子通道介导。有趣的是，在雄性小鼠中，性饱足小鼠这种“下垂”电压的大小与无性经验或性恢复小鼠的BNSTEsr2神经元相比显著更大，而该现象在雌性小鼠中并不显著。系统重新分析BNST中已发布的snRNA-seq数据集[9]，研究人员发现HCN1而不是其他亚基在BNSTp中的Esr2+神经元中相对于其他细胞高度富集。此外，通过FISH方法，研究人员在雄性小鼠的BNSTEsr2神经元中观察到大量HCN1+Esr2+神经元。 使用CRISPR/Cas9技术在BNSTEsr2神经元选择性敲除HCN1基因，研究人员发现雄性小鼠表现出明显的性饱足状态缺失。为了进一步测试 HCN通道在调节性饱足感中的作用，研究人员在性饱足小鼠颅内两侧BNST给予ZD-7288（HCN抑制剂）或人工脑脊液（载体对照），约 1 小时后显著恢复了5/6的雄性典型性行为。这些结果表明，在雄性小鼠射精后，HCN通道的激活对于维持性饱足状态是必要的。 综上所述，该工作在揭示性经验如何引起的大脑内部状态改变这一重要科学问题方面取得了重要突破。这项研究帮助我们理解短暂经验在大脑中持久表征的神经机制，以及这种表征如何长期影响动物行为。此外，该工作还发现短暂性经验可以引起神经元中的离子通道表达的变化，为我们理解性经验如何引起大脑持久改变提供了一个全新的角度。 （该研究工作由北京脑科学与类脑研究中心李莹实验室完成。北京脑科学与类脑研究中心自招博士后周小娟、博士研究生李昂、技术员弭雪为该研究论文的共同第一作者，研究员李莹为通讯作者。） 参考文献： 1.Y. Li et al., Cell 171, 1176-1190.e1117 (2017). 2.D. J. Anderson Nat. rev. Neurosci. 17, 692 (2016). 3.P. Chen, W. Hong, Neuron 98, 16 (2018). 4.D. Wei, V. Talwar, D. Lin, Neuron 109, 1600 (2021). 5.E. M. Hull, R. I. Wood, K. E. McKenna, in Neurobiology of Male Sexual Behavior, D. N. Jimmy Ed. (Academic Press, 2006), chap. 33. 6.B. V. Phillips-Farfán, A. Fernández-Guasti, Neurosci. biobehav. rev. 33, 442 (2009). 7. T. E. McGill, J. gen. psychol. 103, 53-57 (1963). 8. T. E. McGill, R. C. Coughlin, J. reprod. fertil. 21, 215-220 (1970). 9. D. W. Bayless et al., Cell 176, 1190-1205.e1120 (2019).
众所周知，作为身体中最复杂的器官，大脑，将各种感觉信息转换为不同的神经信号进而调控运动，这些调控行为中，尤为神秘的问题之一是：大脑究竟是如何编码社会经验，进而影响本能行为的选择。2023年2月10日，北京脑科学与类脑研究中心李莹实验室在Science发表的一项研究，便是探索了一种本能社会经验——性经验与大脑的关系。
已有研究表明，社会经验，尤其是性经验，可以引起社会行为相关神经回路的长期改变，并影响社会信息区分、交配、打斗和照顾幼崽等本能行为[1-4]。然而，关于哪些神经环路编码性经验并影响本能行为抉择并不清楚。
在小鼠中，雄性和雌性动物成功交配后通常会失去交配兴趣，即达到性饱足状态[5]。这种内部状态的改变不仅可以避免寻找新伴侣所面临的风险和精力浪费，对提高子代繁殖率也至关重要[6]。然而关于两性大脑中是否存在特异的神经环路编码性饱足状态，以及该编码如何长期影响个体行为抉择并不清楚。
李莹实验室的这项研究首次在小鼠大脑边缘系统的终纹床核中发现可以持续编码过往性经验的神经环路，阐明了性经验如何影响两性动物的交配动机，也为理解大脑如何编码行为动机，并影响本能行为抉择这一重要科学问题提供了新见解。
正常的健康成年雄性小鼠遇到雌鼠会立即上前贴贴、求交往（嗅探阶段），然后，往往，几分钟之内，雄鼠便开始试图爬跨，要进入实质行为了。
此时，如果该雌鼠正处于发情期，她会表现出典型的接受行为（如脊柱前凸），否则会通过坐下或逃离拒绝雄性。成功交配后，雄性和雌性通常会失去交配兴趣，即进入性饱足期 [7-8]。当然，对于有不同经历或处于不同状态的个体，性饱足期可能持续数个小时到数天。
该项研究就从性饱足开始了。
1
调控小鼠性饱足的关键神经元
那么，究竟什么是导致小鼠性饱足的关键因素呢？
研究人员设计雌雄小鼠经历多次插入但在射精前与伴侣分开（这种情况下雄鼠不会射精）的对照组，发现对照组没有表现出性饱足，这表明射精是驱动两性性饱足状态的关键事件 。
图1. 射精是导致两性动物进入性饱足状态的关键事件
再抓来只经历了3-5次插入但没有射精的雄鼠，与完成射精的雄鼠进行比较，发现，后者终纹床核（BNST）脑区中Fos+神经元数量变化最大。因此，研究人员聚焦在BNST脑区进行深入研究。
之后，通过在自由运动的小鼠中进行钙成像，发现大量BNSTEsr2神经元（>50%）在雄性动物射精以及雌性动物感受到射精时均被强烈激活，而在交配的其他阶段则没有明显反应。
雌雄分离后，射精激活的BNSTEsr2神经元反应显著降低，但有一部分神经元在射精结束后30分钟仍保持较强的自发活动，提示这部分神经元可能编码持续性饱足状态。
为了进一步检查BNSTEsr2神经元活动是否编码性饱足状态，研究人员将只进行过社会接触、交配但没有性饱足的雄鼠，与交配后达到性饱足的雄鼠独处时的自发放电作比较，发现与未达性饱足的雄鼠相比，达到性饱足的雄鼠相关神经元细胞变得非常活跃，并且这种现象可以在整个性饱足期持续数天。当雄鼠恢复交配能力后，神经细胞活跃水平就会恢复到基线水平，并在再次交配且达到性饱足后重新升高。
在达到性饱足的两性小鼠中，如果利用化学遗传学方法抑制BNSTEsr2神经元活动，能在短时间（30min以内）恢复其交配能力。而通过Caspase3选择性杀掉雄性小鼠的BNSTEsr2神经元,小鼠能够持续交配数天，即无法达到性饱足状态。相反，在嗅探阶段而不是交配开始以后激活BNSTEsr2神经元可以抑制正常雄性小鼠交配起始，这些发现进一步表明BNSTEsr2神经元在抑制交配动机而不是交配动作方面发挥了重要的作用。
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性经验的作用
为了解BNSTEsr2神经活动持续变化的机制，研究人员使用全细胞膜片钳方法，分别在无性经验、性饱足和交配能力恢复的两性小鼠中，记录了BNSTEsr2神经元的电生理特性。
在雄性和雌性小鼠中，与无性经验和交配能力恢复的小鼠相比，性饱足（交配后36-48 小时）小鼠具有更多BNSTEsr2神经元表现出更高兴奋性。尽管输入电阻和膜电容相当，但在性饱足的BNSTEsr2神经元中，静息膜电位 (RMP) 最高，而rheobases（引发全或无放电所需的最负阶跃电流）最低，提示较小的去极化即可激发动作电位。这种变化在行为恢复的小鼠中大部分恢复，进一步证明了过度兴奋的BNSTEsr2神经元在编码性饱足状态中的作用。
对已有的BNST单细胞测序结果进行分析，研究人员发现BNSTEsr2神经元中注入负电流显示去极化“下垂”电压，主要由超极化激活的环核苷酸门控 (HCN) 阳离子通道介导。有趣的是，在雄性小鼠中，性饱足小鼠这种“下垂”电压的大小与无性经验或性恢复小鼠的BNSTEsr2神经元相比显著更大，而该现象在雌性小鼠中并不显著。系统重新分析BNST中已发布的snRNA-seq数据集[9]，研究人员发现HCN1而不是其他亚基在BNSTp中的Esr2+神经元中相对于其他细胞高度富集。此外，通过FISH方法，研究人员在雄性小鼠的BNSTEsr2神经元中观察到大量HCN1+Esr2+神经元。
使用CRISPR/Cas9技术在BNSTEsr2神经元选择性敲除HCN1基因，研究人员发现雄性小鼠表现出明显的性饱足状态缺失。为了进一步测试 HCN通道在调节性饱足感中的作用，研究人员在性饱足小鼠颅内两侧BNST给予ZD-7288（HCN抑制剂）或人工脑脊液（载体对照），约 1 小时后显著恢复了5/6的雄性典型性行为。这些结果表明，在雄性小鼠射精后，HCN通道的激活对于维持性饱足状态是必要的。
综上所述，该工作在揭示性经验如何引起的大脑内部状态改变这一重要科学问题方面取得了重要突破。这项研究帮助我们理解短暂经验在大脑中持久表征的神经机制，以及这种表征如何长期影响动物行为。此外，该工作还发现短暂性经验可以引起神经元中的离子通道表达的变化，为我们理解性经验如何引起大脑持久改变提供了一个全新的角度。
（该研究工作由北京脑科学与类脑研究中心李莹实验室完成。北京脑科学与类脑研究中心自招博士后周小娟、博士研究生李昂、技术员弭雪为该研究论文的共同第一作者，研究员李莹为通讯作者。）
参考文献：
1.Y. Li et al., Cell 171, 1176-1190.e1117 (2017).
2.D. J. Anderson Nat. rev. Neurosci. 17, 692 (2016).
3.P. Chen, W. Hong, Neuron 98, 16 (2018).
4.D. Wei, V. Talwar, D. Lin, Neuron 109, 1600 (2021).
5.E. M. Hull, R. I. Wood, K. E. McKenna, in Neurobiology of Male Sexual Behavior, D. N. Jimmy Ed. (Academic Press, 2006), chap. 33.
6.B. V. Phillips-Farfán, A. Fernández-Guasti, Neurosci. biobehav. rev. 33, 442 (2009).
7. T. E. McGill, J. gen. psychol. 103, 53-57 (1963).
8. T. E. McGill, R. C. Coughlin, J. reprod. fertil. 21, 215-220 (1970).
9. D. W. Bayless et al., Cell 176, 1190-1205.e1120 (2019).