Neuron | 纽约大学林大宇实验室发现雌性小鼠大脑中控制周期性交配行为的新核团 - 脑医汇 - 神外资讯

撰稿 | AiBrain 内容团队

排版 | AiBrain 编辑团队

交配行为是一种在生物界普遍存在的现象，是生物体为了延续后代而发生的交合过程。通常雄性在交配中作为主要发起者，研究较多。但是由于雌性小鼠的交配行为受激素影响波动较大，对于其大脑环路机制，研究则相对较少。

不同于人类，小鼠的发情期存在一定的周期性（4-5天），一般可分为发情前期，发情期，发情后期和间情期。雌性交配行为按性质可以分为吸引性（attractivity）、邀配性（proceptivity）和接受性（receptivity）三个方面。吸引性是指雌性对雄性的性刺激值。例如，生病时的雌性性吸引力较低，雄性对其比较冷漠¹；邀配性是指雌性有一定的交配欲望并表现出邀配行为，如主动接近；接受性是指雌性愿意接受雄性的骑跨交配，表现出背弓姿势以便于雄性抽插和射精。雌鼠的上述交配行为在不同的发情期表现不同，通常雌性在发情期后2-3小时即可排卵，仅在排卵期有数小时允许雄性交配。雌性动物不同层面的交配行为是否由大脑同一群神经元控制，也鲜为人知。

2022年7月26日，美国纽约大学林大宇实验室在Neuron杂志发表题为“VMHvll^Cckar cells dynamically control female sexual behaviors over the reproductive cycle”的研究成果²，揭示雌性小鼠的周期性交配行为的大脑基础。

前人研究表明，Cckar全身敲除小鼠，雌性交配行为受到影响³。但是哪个脑区的Cckar细胞参与其中，还没有详细报道。

为了探索这个问题，林大宇实验室首先用Crispor-Cas9方法制备Cckar-Cre小鼠，利用该转基因小鼠结合Fos免疫组化（Fos用来指示神经元电活动），研究结果发现腹内外侧下丘脑核的外侧亚区（VMHvll）的Cckar细胞与交配行为激活的Fos高度共标，同时Cckar细胞可以投射到其他和雌性特异活动相关的脑区，比如AVPV（控制排卵），mesencephalic reticular formation （控制雌性交配时的背弓姿势）等。这些结果提示VMHvll^Cckar细胞可能参与雌性交配行为。

接下来，研究人员进行了一系列激活和失活操作，用以验证VMHvll^Cckar细胞在雌性交配行为中的充分和必要性。结果显示利用化学遗传抑制VMHvll^Cckar细胞，可以削弱雌性小鼠的性行为，具体表现为在resident-intruder test中，雌性会减少接近雄性的次数，同时当雄性靠近时，雌鼠的对抗行为大大上升，且更少呈现背弓姿势。相应地，雄性小鼠更难完成骑跨和抽插。相反用化学遗传激活VMHvll^Cckar细胞，则可以显著增强雌性的交配行为。

进一步研究表明，急性光遗传可以重复化学遗传的实验结果，将雌性小鼠表达ChR2，光照1s即可提高雌性的交配分数，提示VMHvll^Cckar细胞对雌性交配行为的调控可能不需要性激素的参与。

VMHvll^Cckar细胞在雌性交配行为中的电活动是怎样的呢？第一个有趣的问题是VMHvll^Cckar细胞是否特异性对雄性嗅觉刺激有反应。为了更好控制嗅觉输入的时间，研究人员首先将表达GCaMP6s的雌鼠头部固定，随后将刺激动物（成年雄性，成年雌性和年轻雄鼠）麻醉，安放在塑料基座上，并依次递送到雌鼠鼻侧，观察VMHvll^Cckar细胞对不同类型动物的嗅觉刺激的反应。结果发现VMHvll^Cckar细胞选择性只对成年雄性有反应，而对雌性，年轻雄鼠或者玩具鼠的反应几乎为零。

接下来，研究人员仍然采用resident-intruder task行为范式，光纤记录实验发现VMHvll^Cckar细胞的钙信号会在动物互相探索，以及雄性对雌性发起性行为的一瞬间上升（雄鼠性发起的起始时间定义为雄鼠前爪放在雌性臀部肌肉的时刻），这提示VMHvll^Cckar可能对雄性释放的嗅觉信号和肌肉感觉输入均有反应。

更有趣的是，当雄鼠完成射精的一瞬间，VMHvll^Cckar的钙活动瞬间降低，这与雌鼠的性冲动下降在时间上是对应的。研究人员同时用成年雌性，年轻雄鼠和新生幼崽作为对照，发现VMHvll^Cckar对其余刺激均无明显反应，有时甚至被抑制。以上结果均表明VMHvll^Cckar细胞特异性地负责雌性交配行为。

最后研究人员用体外膜片钳记录来验证体内实验结果。结果发现相对于发情间期和哺乳期的雌性来说，发情期的雌鼠具有更多的自发放电，容易产生更多的动作电位，且接受更少的抑制性输入后电位（IPSCs）。这些变化是VMHvll^Cckar细胞特异的，旁边的VMHvll^Cckar-ESR1+细胞在不同发情期并没有表现出明显的变化。

该研究首次用化学遗传，光遗传，长时间光纤记录和体外电生理的方法，找到控制雌性交配行为的脑部核团和细胞基础---VMHvll^Cckar。

纽约大学博士后尹璐萍作为第一作者，并与指导老师林大宇教授一起作为该工作的共同通讯作者。该研究得到NIH R01MH101377, 1R01HD092596, and U19NS107616的大力资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627322006055?via%3Dihub

参考文献

1 Kwon, J.-T. et al. An amygdala circuit that suppresses social engagement. Nature 593, 114-118, doi:10.1038/s41586-021-03413-6 (2021).

2 Yin, L. et al. VMHvll(Cckar) cells dynamically control female sexual behaviors over the reproductive cycle. Neuron, doi:10.1016/j.neuron.2022.06.026 (2022).

3 Xu, X. et al. Modular genetic control of sexually dimorphic behaviors. Cell 148, 596-607, doi:10.1016/j.cell.2011.12.018 (2012).

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