當(dāng)我們學(xué)習(xí)“某個(gè)聲音代表有獎(jiǎng)勵(lì)”（比如聽到提示音就知道要得到糖）時(shí)，大腦并不是簡(jiǎn)單地靠“快樂物質(zhì)”多巴胺完成的。實(shí)際上，抑制性神經(jīng)元（像大腦的“剎車系統(tǒng)”）也在關(guān)鍵時(shí)刻悄悄調(diào)整自己。

基于此，2025年12月9日，美國(guó)喬治城大學(xué)藥理學(xué)與生理學(xué)系A(chǔ)lexey Ostroumov研究團(tuán)隊(duì)在Nature communications雜志發(fā)表了“Dynamic changes in chloride homeostasis coordinate midbrain inhibitory network activity during reward learning”揭示了氯離子穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)變化協(xié)調(diào)中腦抑制性網(wǎng)絡(luò)在獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)中的活動(dòng)。

研究人員在大鼠中發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)關(guān)鍵期，中腦負(fù)責(zé)抑制多巴胺神經(jīng)元的GABA能神經(jīng)元會(huì)發(fā)生一種特殊變化：一種叫KCC2的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)下降，導(dǎo)致這些神經(jīng)元內(nèi)部的氯離子平衡被打破。這一變化主要影響外側(cè)中腦邊緣多巴胺通路，并且只在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)，鞏固后就消失。這種KCC2下調(diào)使GABA神經(jīng)元之間的活動(dòng)更加同步，進(jìn)而增強(qiáng)多巴胺神經(jīng)元對(duì)獎(jiǎng)賞及其相關(guān)線索的反應(yīng)。相反，如果人為增強(qiáng)KCC2功能，GABA神經(jīng)元同步性降低，多巴胺信號(hào)減弱，動(dòng)物就難以學(xué)會(huì)將線索與獎(jiǎng)賞聯(lián)系起來。簡(jiǎn)言之，中腦GABA神經(jīng)元通過短暫調(diào)整自身的離子穩(wěn)態(tài)，協(xié)調(diào)放電節(jié)奏，從而“打開窗口”讓多巴胺系統(tǒng)有效編碼新獎(jiǎng)賞信息，這一動(dòng)態(tài)適應(yīng)對(duì)學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

圖一 獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)重塑VTA GABA神經(jīng)元的氯穩(wěn)態(tài)

研究人員在大鼠中探究獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)是否改變了腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）GABA能神經(jīng)元的氯離子平衡（即陰離子穩(wěn)態(tài)）。他們利用一種鈣敏感染料CaMPARI2在神經(jīng)元活躍（鈣升高）并接受紫外光照射時(shí)會(huì)從綠變紅，結(jié)合光纖記錄在經(jīng)典條件反射訓(xùn)練中“標(biāo)記”出參與線索-獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的GABA神經(jīng)元。

只有在成功建立線索-獎(jiǎng)賞關(guān)聯(lián)（配對(duì)組）的大鼠中，處于學(xué)習(xí)習(xí)得期（行為快速提升階段）的活躍GABA神經(jīng)元才表現(xiàn)出GABA電流反轉(zhuǎn)電位（EGABA）的去極化偏移，說明其內(nèi)部氯離子濃度升高、抑制功能減弱；而基線期和學(xué)習(xí)穩(wěn)定后的平臺(tái)期則無此變化。未被激活的GABA神經(jīng)元或非配對(duì)組（刺激無關(guān)聯(lián)）中的神經(jīng)元，EGABA始終保持超極化，表明僅刺激本身不足以引發(fā)改變，必須形成學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)。

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進(jìn)一步機(jī)制分析顯示，這種氯穩(wěn)態(tài)變化源于KCC2轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在絲氨酸940位點(diǎn)的去磷酸化，該修飾會(huì)降低其排出氯離子的能力。Western blot證實(shí)，習(xí)得期磷酸化KCC2水平顯著下降，而總KCC2和另一氯轉(zhuǎn)運(yùn)體NKCC1的表達(dá)不變。值得注意的是，VTA多巴胺神經(jīng)元在相同階段并未出現(xiàn)EGABA變化，說明這一調(diào)控特異性發(fā)生于GABA能神經(jīng)元。

綜上，獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)在關(guān)鍵窗口期通過下調(diào)KCC2活性，短暫削弱VTA GABA神經(jīng)元的抑制功能，從而可能增強(qiáng)多巴胺信號(hào)，促進(jìn)線索-獎(jiǎng)賞關(guān)聯(lián)的形成。這一過程具有細(xì)胞特異性、時(shí)間特異性和學(xué)習(xí)依賴性，揭示了離子穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)在學(xué)習(xí)中的重要作用。

圖二 VTA GABA神經(jīng)元及KCC2下調(diào)參與獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)

研究發(fā)現(xiàn)，VTA GABA能神經(jīng)元在獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的習(xí)得階段起關(guān)鍵作用。通過光遺傳技術(shù)在訓(xùn)練中抑制這些神經(jīng)元，會(huì)顯著延緩大鼠建立“線索-獎(jiǎng)賞”關(guān)聯(lián)的能力；即使在學(xué)習(xí)中途開始抑制，也會(huì)阻斷關(guān)聯(lián)的進(jìn)一步形成。

這種作用與KCC2功能下調(diào)密切相關(guān)：在VTA局部注射KCC2激活劑（CLP290）會(huì)削弱學(xué)習(xí)，延長(zhǎng)達(dá)到習(xí)得標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間，且僅在習(xí)得期有效，不影響已鞏固的行為；反之，特異性敲低GABA神經(jīng)元中的KCC2則加速學(xué)習(xí)進(jìn)程。

這些結(jié)果表明：在獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的關(guān)鍵窗口期，VTA GABA神經(jīng)元通過暫時(shí)降低KCC2活性，改變氯離子穩(wěn)態(tài)，從而調(diào)節(jié)自身抑制強(qiáng)度，為多巴胺系統(tǒng)有效編碼新關(guān)聯(lián)“打開通道”。這一動(dòng)態(tài)調(diào)控對(duì)線索-獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的建立至關(guān)重要。

圖三 VTA GABA神經(jīng)元在學(xué)習(xí)習(xí)得期間表現(xiàn)出增強(qiáng)的協(xié)同活動(dòng)

接下來，作者探究了VTA中KCC2下調(diào)如何促進(jìn)學(xué)習(xí)的機(jī)制。

膜片鉗和在體電生理記錄發(fā)現(xiàn)，在獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的習(xí)得階段，VTA中的GABA能神經(jīng)元會(huì)表現(xiàn)出毫秒級(jí)（<10 ms）的同步放電且這種同步不僅出現(xiàn)在線索刺激期間，也存在于試次間隔等非刺激時(shí)段。相比之下，基線期和學(xué)習(xí)穩(wěn)定后的平臺(tái)期同步性明顯較低。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這種同步活動(dòng)受KCC2功能調(diào)控：

激活KCC2（注射CLP290）顯著降低GABA神經(jīng)元的同步放電；

抑制KCC2（注射VU0463271）則增強(qiáng)同步性。

這些操作不影響動(dòng)物運(yùn)動(dòng)能力，說明同步變化是特異性由KCC2介導(dǎo)的。結(jié)果表明，在學(xué)習(xí)關(guān)鍵期，KCC2下調(diào)使GABA神經(jīng)元氯穩(wěn)態(tài)改變，導(dǎo)致它們更傾向于時(shí)間上精確同步放電，從而可能協(xié)調(diào)下游多巴胺神經(jīng)元對(duì)獎(jiǎng)賞線索的響應(yīng)。這種毫秒級(jí)同步是學(xué)習(xí)過程中GABA環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的重要特征。

圖四 VTA GABA神經(jīng)元的光遺傳同步化可增強(qiáng)刺激誘導(dǎo)的簇狀放電

基于前期發(fā)現(xiàn)，作者提出：VTA中GABA神經(jīng)元在學(xué)習(xí)期間的毫秒級(jí)同步活動(dòng)（約10 Hz）可能增強(qiáng)多巴胺（DA）神經(jīng)元的相位性簇狀放電，這是編碼獎(jiǎng)賞預(yù)測(cè)誤差的關(guān)鍵信號(hào)。

為驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員在GAD-Cre大鼠VTA中表達(dá)光敏通道ChR2并以10 Hz頻率光刺激GABA神經(jīng)元，模擬學(xué)習(xí)時(shí)的同步放電。

在腦片實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用谷氨酸誘發(fā)DA神經(jīng)元產(chǎn)生簇狀放電時(shí)，同步激活GABA神經(jīng)元顯著增加了每個(gè)放電簇中的動(dòng)作電位數(shù)量，但未改變簇內(nèi)放電頻率。類似結(jié)果也在麻醉大鼠體內(nèi)得到驗(yàn)證：當(dāng)電刺激傳遞獎(jiǎng)賞線索信息的腳橋被蓋核（PPTg）誘發(fā)DA神經(jīng)元放電簇時(shí)，同步激活GABA神經(jīng)元同樣增強(qiáng)了簇的強(qiáng)度（更多脈沖/簇），而簇內(nèi)頻率不變。

這些結(jié)果表明：VTA GABA神經(jīng)元的節(jié)律性同步并不直接激發(fā)DA神經(jīng)元，而是通過精細(xì)調(diào)控其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，放大由獎(jiǎng)賞相關(guān)輸入驅(qū)動(dòng)的相位性反應(yīng)，從而可能提升獎(jiǎng)賞信號(hào)的信噪比，助力學(xué)習(xí)。

總結(jié)

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，大腦在正常學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)短暫“調(diào)低”VTA中GABA神經(jīng)元的抑制功能（通過下調(diào)KCC2）以幫助建立獎(jiǎng)賞關(guān)聯(lián)。而這一本該適時(shí)開啟又關(guān)閉的機(jī)制，在成癮、抑郁等疾病中被異?！翱ㄗ　?，導(dǎo)致獎(jiǎng)賞系統(tǒng)失調(diào)。因此，理解這一過程不僅揭示了學(xué)習(xí)的神經(jīng)基礎(chǔ)，也為治療多種神經(jīng)精神疾病提供了新靶點(diǎn)。未來或可通過精準(zhǔn)調(diào)控KCC2，恢復(fù)大腦的正常可塑性，而不干擾健康功能。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66838-x

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