中德两国研究人员首次揭示恐惧产生的神经机制

2021
09/06

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生物谷
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“恐惧”这个词语总会使人联想到一些感到可怕的事物或者经历,例如一个人走夜路时,背后听到脚步声……然而,人类为什么会产生恐惧、在恐惧产生的过程中大脑中的哪些区域发挥了作用等等问题至今仍需研究人员的不断探索,找到最正确的一个答案。

1991630797921821 图片来源:pexels

近日,中德两国的研究人员发现恐惧记忆的形成涉及杏仁核与恐惧网络其他区域的相互作用,特别是在mPFC内。研究表明,人脑中的杏仁核-mPFC电路中的theta振荡在恐惧学习过程中起着重要作用。相关内容于8月18日发表在《Science Advances》上,由中国科学院大学、德国波鸿鲁尔大学等单位合作完成。

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神经振荡被认为是细胞组装协调的一种机制,该机制可以同步尖峰活动和阻断区域间的信息传递。已有大量的动物研究表明,恐惧的获取和表达依赖于内侧前额叶皮层(mPFC)和杏仁核的协调活动,而theta振荡支持了恐惧网络中的区域间交流。

然而,由于恐惧网络位于大脑的深部区域,缺乏有关人类恐惧学习的直接神经生理学证据,因此,记录癫痫患者的颅内脑电图(iEEG)成为研究这些区域的关键所在。然而,虽然最近的几项iEEG研究调查了情绪在陈述性记忆形成中的作用的神经机制,但关于人类恐惧学习的基本机制仍未被探索。

为进一步探索在动物研究中的结论能否推广到人类的恐惧学习机制,研究人员从清华大学玉泉医院和解放军总医院第一附属医院共招募了13名药物难治性癫痫患者参与此次恐惧条件反射实验。       

研究首先使用经典的恐惧条件反射范式探索恐惧学习过程中的皮肤电导反应。13 名癫痫患者中 11 名可以记录皮肤传导反应(SCR),并通过分析得出学习效果在后半部分变得更加稳定,将作为实验的重点。

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单个 CS 试验的试验结构和时间表

接着,研究者建立了一个 LME 模型(CS+ 对 CS-作为固定效应,个体和电极作为随机效应),以检查杏仁核、dmPFC 和 vmPFC 中的 iEEG 反应,并记录获得的 iEEG 数据用以分析。为分析theta波段的振荡活动是否可以真正用于预测患者在恐惧学习中的表现,研究者还进行了接收器操作特征 (ROC) 分析。

对整个学习过程中theta振荡的时间动力学的分析结果表明,人类恐惧学习与杏仁核、vmPFC 和 dmPFC 的 theta 功率增加有关。Theta 效应在杏仁核中表现出比 mPFC 区域更高的频率。此外,研究人员还发现在学习进行时区域theta振荡之间的重叠越来越多,为区域间交流提供了神经生理学基础。

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对叠加在半透明 MNI152 大脑上的所有 13 名患者的杏仁核、vmPFC 和 dmPFC 中电极接触定位的描述(从左侧看)

进一步检查杏仁核和两个 mPFC 区域之间信息传递的方向性后,结果表明,同步的 theta 振荡构成了恐惧学习期间杏仁核和两个 mPFC 区域之间区域间通信的信息通道,并且从 dmPFC 到杏仁核的直接信息传输促进了恐惧信息的处理。

长期以来,Theta 频率振荡与人类学习和记忆有关。本研究表明,与成功获得恐惧的患者的 CS- 相比,当出现 CS+ 时,人类杏仁核和mPFC的theta振荡显著增强。此外,改进的 BOSC测试表明theta 振荡确实在整个时间段内占据了最大比例的振荡时间,并且在杏仁核和两个 mPFC 区域之间,具有最高百分比的 theta 振荡时间的主要峰值频率显著不同。

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在恐惧学习过程中,mPFC和杏仁核之间的Theta相干性

恐惧记忆的形成涉及杏仁核与恐惧网络其他区域的相互作用,特别是在 mPFC 内。这项研究表明,在人类中,杏仁核-mPFC 电路中的 theta 振荡在恐惧学习过程中起着重要作用。

振荡活动主要受 theta 振荡控制,并且杏仁核中的峰值频率高于 mPFC 区域。dmPFC可能利用对杏仁核的解剖投影来传递情绪信息并促进恐惧记忆的形成。此外,dmPFC 到杏仁核的方向性表明,恐惧条件反射需要对杏仁核的皮质输入,而不是仅依赖于更快的皮质下通路。研究结果将有助于开发焦虑障碍的治疗策略,如创伤后应激障碍。

总之,该研究首次揭示了在人类恐惧学习过程中,杏仁核和mPFC通过theta振荡的同步活动实现信息交互,为恐惧条件反射的建立过程提供了重要证据,有助于人们深入理解恐惧相关疾病的形成过程,为开展早期临床治疗提供重要参考。

撰文 | 生物谷

编辑 | 小耳朵

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关键词:
学习,恐惧,区域,振荡,杏仁核

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