目前全球的精神疾病发病率占疾病总发病率的13%,高于心血管和癌症。精神疾病被美国国家精神卫生研究所定义为神经环路的破坏。从临床诊断角度来讲,精神疾病通常被认为是“情绪障碍类疾病”。本能恐惧情绪是物种进化与生存过程中最重要和最不可或缺的基本情绪表征之一,同时也是人类六大基本情绪的组分之一。有研究表明,本能恐惧情绪反应在一些自闭症和精神分裂症患者中存在异常表达。因而,针对本能恐惧情绪的细胞特异性的神经环路结构和功能解析不仅将有助于我们从神经环路角度深入理解物种进化保守的行为的工作机制,也为精神疾病的诊断和治疗供重要的生物学基础。面对自然界的威胁刺激时,动物会对外界刺激的信息进行精准快速的处理,并做出恰当的本能恐惧的防御反应行为,诸如冻结(freezing)或逃跑(flight)。这一能力对个体的生存至关重要。众所周知,基于嗅觉和听觉的威胁感觉信号诱发的本能恐惧反应通过特定的不同神经环路来介导,主要核团包括杏仁核(Amygdala),导水管周围灰质(Periaqueductal gray,PAG)和下丘脑(Hypothalamus)等脑区。最新的研究进展表明,中脑核团上丘(Superior Colliculus,SC)参与了基于视觉的本能恐惧信号的处理。研究表明SC-丘脑枕核(Pulvinar nucleus)-Amygdala的皮层下通路介导了本能恐惧的冻结反应。然而,对视觉来源本能恐惧信号所引起的逃跑行为神经环路机制仍然处于较大争议中,亟待新的研究予以更深入的解析。腹侧被盖区(Ventral tegmental area,VTA)是中脑一个与动机控制,价值评估和突显性信号检测相关的核团,可以接收来自SC直接视觉输入。先前研究已证明在麻醉动物中,中性视觉刺激可以激活SC-VTA通路。但该通路的行为输出,特别是在本能恐惧方面的功能仍然未知。越来越多的证据表明,VTA是厌恶情绪(Aversion)状态处理的重要组成部分。事实上,体内电生理记录显示VTA GABA能神经元被突显性(Salience)信号所激活,并且光遗传激活GABA能神经元的可导致厌恶和焦虑行为。然而,VTA本能恐惧反应中的作用尚未可知。本论文利用光遗传学、光纤成像、细胞选择性特异性的神经环路调控技术和光遗传学-神经电生理记录,证实了一条专门处理本能恐惧逃跑行为的皮层下通路的存在,主要结论包括:1)视觉恐惧信号引发的逃跑行为伴随着VTA GABA能神经元激活,光遗传学抑制实验证明VTA GABA能神经元在该行为输出中的必要性;2)VTA的GABA能神经元接收来自SC的中深层(Intermediate and deep layer of SC,IDSC)谷氨酸能神经元的上游输入,而不是来自其他关键视觉结构,如初级视皮层(Primary visual cortex,V1)和外侧膝状核(Lateral geniculate nucleus,LGN);3)光遗传激活和抑制实验证明lDSC-VTA通路对视觉恐惧信号诱发的逃跑行为是必要的,并且该通路的激活足以诱发该行为;4)IDSC-VTA谷氨酸能通路投射到VTA GABA能神经元上,这些神经元进一步投射到中央杏仁核(Central amygdala,CeA),参与介导本能恐惧的逃跑行为。此外我们还探讨了VTA中GABA能神经元与DA神经元的相互作用在本能恐惧反应中的作用。该部分的实验结果创新性的证明了VTA的GABA能神经元在本能恐惧反应中的作用,拓宽了VTA这个传统中脑多巴胺核团的功能范畴。与此同时,利用厌恶和奖赏的行为学范式,我们用光纤成像技术证明了经典VTA脑区中一类较少被报道的谷氨酸能(VGluT2+)神经元参与调节本能的和条件化厌恶和奖赏刺激。由此,VTA在本能恐惧反应(逃跑)和本能厌恶中的生物学作用及神经环路机制得到证明。在解析了本能恐惧行为神经环路基础上,我们进一步探究这一保守的重要的神经环路是否收到环境/内部因素的调节及其相关的神经环路机制。本能恐惧防御行为事关个体生死,无需学习,在特定刺激下迅速输出特定的行为学模式。越来越多的证明表明虽然本能恐惧防御性反应的表达是本能的和无条件的,但其表达程度可能受到环境和内部因素的调控和影响。深入理解这一调控机制对于理解复杂精确的行为输出机制及失调导致的环路异常至关重要。我们的实验结果表明,反复的压力应激导致小鼠出现类似焦虑状态,加剧了对视觉恐惧信息的刺激的本能防御反应,具体表现为动物面对威胁刺激触发更加快速的启动逃跑行为。此外压力应激还诱导蓝斑(Locus coeruleus,LC)中去甲肾上腺素(Noradrenaline,NE)能神经元的c-fos活化和SC中的肾上腺素能受体表达代偿性的改变。这一结果示LC-SC通路可能参与本能防御反应行为输出调控。实际上,我们顺行和逆行神经追踪从解剖学上证实了LC-SC投射,并且在压力应激下,LC投射到SC的NE能神经元被激活。光遗传学实验证明LC-SC NE能通路的激活也引起了类似焦虑的行为,并加剧了对视觉恐惧信号引发的本能防御反应。进一步的药物遗传学实验和在体给药实验证明LC-SC通路在该调控作用中的必要性和NE受体依赖性。这一部分的研究结果表明,LC-SC NE能通路在由生理状态变化引起的本能防御行为的复杂调控中的关键作用。至此,我们解析了本能恐惧行为-逃跑的神经环路的基础及其在压力下的调节机制。如上所属,面对危险信号时,恰当的行为输出模式及合适的反应程度事关生死,受到精准的细胞特异性的神经环路的控制和调节,以保证个体的存活。与此同时,在同种群之间,对于危险信号的恐惧情绪传播,比如对于同种群中发生在另外一个个体上的负性刺激的共情样反应(Empathy)对于种群的存续至关重要。由此我们利用观察性恐惧学习行为范式研究了小鼠的共情及神经环路机制。在经典的条件恐惧学习中,恐惧学习可以通过厌恶刺激的直接经验获得。此外,恐惧还可以通过观察同伴的痛苦表情来间接获得,这种保守的行为在啮齿动物,非人灵长类动物和人类中都存在。观察性恐惧学习诱发条件性恐惧记忆,并警示同伴逃避潜在的威胁。观察性恐惧学习对个体和物种的生存很重要,但是其细胞特异性神经回路基础知之甚少。我们的研究中发现,激活前扣带回皮层(Anterior cingulate cortex,ACC)小清蛋白(Pavalbumin interneuron,PV)中间神经元导致观察性恐惧中的冻结时间减少而不影响条件恐惧下的冻结时间。通过使用逆行跨突触的上有输入追踪,我们发现ACC PV中间神经元接受来自前内侧丘脑核(Anteromedial thalamic nucleus,AM)和中间丘脑核的投射(Mediodorsal thalamic nucleus,MD)。本部分结果表明ACC的PV中间神经元参与了观察性恐惧学习,并接收来自AM和MD的投射。综上所述:我们通过结合细胞特异性的神经环路示踪技术、高时空精准的神经环路功能调控技术(光遗传学,药物遗传学)、动物自由活动光纤成像技术、电生理记录技术及动物行为学分析,在神经环路层面(1)解析了SC-VTA-CeA介导的本能恐惧情绪的功能神经环路机制;(2)证明了本能恐惧行为输出虽保守但仍受精细量化调节的神经环路机制:LC-SC的NE能通路;(3)探究了种群内部共情样行为观察性恐惧学习的神经环路机制。由此,我们对于保守本能防御反应的神经发生机制的深入理解、本能防御行为反应程度的量化调节机制研究,将为在神经功能环路层面上探究大脑的一般工作机理及共患有恐惧焦虑样行为异常的精神疾病诊治供重要的生物学理论基础。