Nature Neuroscience | 认知配对迷走神经刺激增强知觉学习

点击蓝字，关注我们

/ 2024.09.29

知觉能力可以在一定限度内通过经验得到完善。目前还不清楚知觉的局限性是否是绝对的还是可以在一定程度上通过增强神经调节和/或可塑性来克服。尽管人们对VNS的中枢机制知之甚少，近期研究表明，外周神经刺激特别是迷走神经刺激(vagus nerve stimulation，VNS)可用于改变神经活动和增强依赖于经验学习的神经可塑性。本研究中，研究者为植入VNS电极的小鼠设计了一种听觉辨别任务，在做出行为反应的过程中给予小鼠的VNS——即认知任务配对的闭环VNS——会逐渐提高听觉辨别能力，超过单独听觉训练所能达到的水平。利用双光子成像技术，研究者揭示了听觉皮层反应的变化，以及在VNS作用下皮质投射的胆碱能轴突被激活。解剖学和光遗传学实验表明，VNS可通过激活中枢胆碱能系统来提高听觉任务表现。这些结果凸显了胆碱能调节对VNS疗效的重要性，或许可以进一步改进VNS方法，使其适用于临床场景。

头部固定小鼠的听觉知觉训练

研究者首先开发了一个听觉任务，以参数量化小鼠的心理物理能力，对听觉刺激频率辨别能力。共有38只小鼠（5只雌性野生型、11只雄性野生型、8只雌性ChAT-Cre，14只雄性ChAT-Cre）进行行为研究。在双项强迫选择（two-alternative forced-choice，2AFC）任务中固定动物头部，逐步训练动物对呈现的纯音进行分类，以获得水奖励。

在每次试验中小鼠都会受到一种听觉刺激，频率范围在4-38kHz之间，声压级(sound pressure level，SPL)为70dB。训练小鼠对一个特定“中心”频率的音调（不同动物的频率在11-16kHz之间）做出反应时，小鼠会向左舔舐。在2.5秒的反应时间内，小鼠会向右舔任何其他“非中心”频率的音调（图1a，扩展数据图1a、b，舔舐率在音调偏移后的1秒钟内显著较高，N=6只小鼠）。有8个非中心音，其中4个音高达比中心频率低1.5个音阶(octave)，比中心频率高1.5个音阶(octave)，4个音调比中心74个频率高1.5个音阶(octave)（图1b）。

老鼠分三个阶段学习任务，随着个体表现的提高，增加了额外的频率。第1阶段使用了一个非中心频率，与中心音相差-1.5或1.5个音阶，第2阶段增加了另一个±1.5个音阶的频率，第3阶段增加了所有其他刺激。

在阶段1（第一个成形阶段），研究者只呈现了两个频率（“中心”音和一个距离中心1.5个音阶(octave)的“非中心”音；图1b，浅蓝色）。以野生雄性小鼠为例，三个阶段的平均表现。当动物在第一阶段（最浅蓝色）连续三天的表现达到≥80%时，将其过渡到第二阶段（中间蓝色）三天，然后再过渡到第三阶段（图1c）。在第1阶段，不同个体的小鼠达到表现标准的天数不同，从5-37天不等（图1d，e）。在阶段1中，不同性别和基因型的表现没有显著差异。整体表现在第3阶段的第7-9天趋于平稳，但是在不同个体之间是不同的。在整个第三阶段中，非中心频率的性能提高了，最大的改善发生在频率±0.5音阶(octave)(图1f，N=38只小鼠，第3阶段第1天与最高表现相比，至少3天表现稳定，扩展数据图1g,h）这些数据表明，虽然头部固定的小鼠具有相对稳定的频率识别能力，但即使经过许多天的持续正强化，在0.25-0.5音阶(octave)范围内的正确分辨频率表现仍然不完美。

长期迷走神经刺激术对小鼠的影响

结果表明，动物个体一旦获得了一定的知觉能力表现，额外的训练并没有持续地提高知觉能力。研究者改造了在大鼠中使用的双极迷走神经刺激cuff电极，制作了用于小鼠的定制迷走神经cuff电极，并通过测量cuff电极的阻抗来验证迷走神经刺激是否成功。研究者在成年小鼠左侧迷走神经周围植入了定制的cuff电极(图2a)从植入后持续每天测量清醒动物的cuff阻抗(扩展数据图3a，b)。cuff阻抗<10kΩ被认为是可能适用于VNS，许多动物的cuff阻抗在此范围内稳定了数周(扩展数据图3b)。研究者使用心率的变化作为生理指标，当cuff阻抗值非常大时(扩展数据图3c-f)高(例如，约100MΩ : 扩展数据图3d)，VNS对心率等生理变量无效。因此，研究者定义为阻抗值超过10kΩ的电极和/或其中VNS没有引起心率显著变化的病例定义为假性植入(扩展数据图3f，7/10动物在每10秒进行500毫秒VNS的疗程中，活动cuff电极阻抗<10kΩ的心率分布明显低于未进行VNS的小鼠)。

迷走神经刺激术改善听觉知觉学习天数

在第三阶段(平均14.8+/-8.4天，范围6-36天)，经过几天的训练17只小鼠植入迷走神经cuff，其中7只小鼠的cuff<10kΩ阻抗和VNS引起心率的变化(扩展数据图3)，随后所有其他动物均为假手术组，植入对照组(n=10)。

在VNS配对期间或刚刚结束时，小鼠频率分辨的能力并没有立即提高，行为改变需要几天的时间才能显现，并且通过VNS配对每天都会累积。这表明，即使在横跨第一个区块，听觉能力的逐渐变化也可能被观察到。为了验证这个假设，研究者比较第一组和其他组之间的行为表现(即前50个2AFC试验任务次数，每天给予非配对的VNS)；随着时间的推移，单独第一组的表现相对于第一组之后所有试验的表现有所改善(图3h-j)。在所有的动物中，在第一个阶段最后几天中表现的变化与所有其他试验相比，VNS与行为表现变化显著相关(图3l，Pearson’s R = 0.78，p = 0.008)相比之下，对照组动物没有表现出相同的显著性，第一组的行为表现改进(图3j-l)。

配对VNS使大脑皮层具有长期的可塑性

研究结果表明配对VNS增强了听觉的知觉学习，甚至超过了行为训练所达到的极限，随着这些进步在几天内逐渐显现，研究者怀疑训练配对VNS涉及与持久神经可塑性有关的机制。在大鼠纯音与配对VNS的研究发现神经元群体和初级听觉皮层的音位图(A1)发生了改变，表明听觉皮层是一个潜在的行为相关可塑性的位点。

确定VNS可能引起的皮层反应和感受野的长期变化的实验结束后，研究者对7只未经训练的小鼠听觉皮层进行了纵向双光子成像(图4a;6只野生型雌性，1只野生型雄性)，在所有小鼠的听觉皮层注射了CaMKII-GCaMP6f，等待2-4周的病毒表达，然后在左侧迷走神经上植入VNS cuff电极。将单一频率的音调与VNS配对，每天每2.5秒重现一次，每天5分钟至少持续5天(最多20天)。

VNS激活向听皮层投射的胆碱能基底前脑神经元

发现500ms的VNS足以诱导基底前脑胆碱能神经元的长时间激活(图5b，c)。VNS对个体的胆碱能细胞体的平均激活试验与基线荧光呈负相关，因此相对较高的VNS发病前的基线更有可能降低平均激活(扩展数据图7a，b,Pearson’s R=-0.30, p=0.02)

研究者以胆碱能神经元为靶点注射pAAV-TREtight-mTagBFP2-B19G和paav-synflex-splittva-egfp-ttaChAT-Cre小鼠(n = 3)或aav1ef1a-flex-gtb小鼠(n = 3)的基底前脑，两周后注射SAD δg-mCherry(图5d)NTS和蓝斑，表明基底前脑胆碱能神经元可能直接从两个区域直接接收输入(图5e，扩展数据图7c，d)。

研究者应用与前面描述的相同方式应用VNS，如前所述(分段进行50个开/关试验，以中心频率和非中心频率为中心的500毫秒)。阻断局部乙酰胆碱受体的激活增加了距离中心±0.25(octave)频率的错误率(图5k，l，±0.25：阿托品：橙色，91.0±24.5%，平均±s.d.；vehicle：灰色，63.3±26.4%，平均±s.d.，N=5，p=0.03，单尾配对t检验)。因此VNS在诱导行为改善的水平上激活了基底前脑的胆碱能神经元和听觉皮层的乙酰胆碱对行为的及时性影响。解剖学研究表明，胆碱能基底前脑神经元接收来自蓝斑和NTS中的神经元输入(扩展数据图7f)。

中枢胆碱能系统和VNS的光遗传操纵

研究者发现，在行为过程中对胆碱能神经元进行光遗传激活会导致与VNS配对类似的知觉学习改善。2AFC任务表现的最大变化发生在光遗传配对几天后（图6b，N=8只小鼠）。

研究者将最后三天光遗传配对的行为表现（“最后3天”）与三天的基线行为表现（“-2-0天”）进行了比较。光遗传刺激动物的最高行为表现明显高于第三阶段训练时的水平（图6c，d，光遗传配对前：71.1±3.1%正确所有中心/非中心刺激，mean±s.e.m，最后三天配对：76.3±2.8%正确，N=8老鼠，p=0.01,Student's双尾配对t检验），但不是控制动物(图6c，d，前：74.8±正确率2.5%，mean±s.e.m，最后三天配对：75.6±3.0%，N=7，p=0.67，Student's双尾配对t-测试；VNS期间对胆碱能基底前脑神经元的抑制也阻止了VNS介导的行为改善，频率分别为±0.25和±0.5(octave)（图7e-g，扩展数据图9f中显示的个体动物）。这些动物没有引起长期变化，如即使在VNS治疗18-20天后，第一组的表现仍然与基线相似，胆碱能活性被抑制(图7h，i)。结果共同强调了通过VNS使中枢胆碱能调节系统增强感知学习的重要性。

参考文献

未来脑律Comments

声明

最新VNS文献

1.Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation Modulating the Brain Topological Architecture of Functional Network in Major Depressive Disorder: An fMRI Study

经皮耳迷走神经刺激调节重度抑郁症功能网络的脑拓扑结构：fMRI 研究

https://www.mdpi.com/2076-3425/14/9/945

2.A Novel Earable Platform for Vagal Activation Monitoring during Transcutaneous Auricular Vagal Nerve Stimulation using Heart Rate Variability Analysis

使用心率变异性分析在经皮耳迷走神经刺激期间监测迷走神经激活的新型耳式平台

https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3675094.3680522

3.State dependent vagus nerve stimulation for targeted plasticity therapy: challenges and considerations

用于靶向可塑性治疗的状态依赖性迷走神经刺激：挑战和注意事项

https://www.frontiersin.org/journals/control-engineering/articles/10.3389/fcteg.2024.1452442/abstract

4.Functional and structural biomarkers to optimize vagus nerve stimulation therapy in drug-resistant epilepsy "

功能和结构生物标志物优化迷走神经刺激治疗耐药癫痫

https://dial.uclouvain.be/pr/boreal/object/boreal%3A291641/datastream/PDF_01/view

5.Vagus Nerve Stimulation: Novel Concept for the Treatment of Glioblastoma and Solid Cancers by Cytokine (Interleukin-6) Reduction, Attenuating the SASP, Enhancing Tumor Immunity

迷走神经刺激：通过减少细胞因子（白细胞介素-6）治疗胶质母细胞瘤和实体癌的新概念，减弱 SASP，增强肿瘤免疫力

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666354624001376

6.Transcutaneous auricular vagus nerve stimulation increases long-latency event-related potentials, but does not affect neural gating or alpha oscillations

经皮耳迷走神经刺激增加长潜伏期事件相关电位，但不影响神经门控或 α 振荡

https://essopenarchive.org/doi/full/10.22541/au.172649316.66839019

7.Letter to the Editor. The need for a documented therapeutic effect before recommending vagus nerve stimulation for recovery after cerebral bleeding

给编辑的信：在推荐迷走神经刺激以恢复脑出血后之前，需要有记录的治疗效果

https://thejns.org/caselessons/view/journals/j-neurosurg-case-lessons/8/12/article-CASE24263.xml

8.Beyond Pharmacology: A Narrative Review of Alternative Therapies for Anxiety Disorders

超越药理学：焦虑症替代疗法的叙述性回顾

https://www.mdpi.com/2079-9721/12/9/216

9.Vibrotactile auricular vagus nerve stimulation alters limbic system connectivity in humans: A pilot study

振动触觉耳迷走神经刺激改变人类边缘系统连接性：一项试点研究

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.10.612366v1.abstract

10.Vagal nerve stimulation in myocardial ischemia/reperfusion injury: from bench to bedside

心肌缺血/再灌注损伤的迷走神经刺激：从工作台到床边

https://link.springer.com/article/10.1186/s42234-024-00153-6

11.Quantifying Vagus Nerve Stimulation Outcomes in Multifocal Refractory Epilepsy: A Model Across

Multiple Surgeries

多灶性难治性癫痫的迷走神经刺激结果量化:一个跨越多次手术的模型

https://assets.cureus.com/uploads/original_article/pdf/295049/20240913-488348-1ba9ki.pdf