先天性恐懼防御行為的神經回路研究進展

趙佳佳，宋 琦，吳永葉，楊麗萍

河南中醫藥大學醫學院，河南 鄭州 450046

恐懼是危險刺激誘發的一種負性情緒，依據是否依賴后天學習將恐懼分為先天性恐懼和習得性恐懼［1-3］。先天性恐懼防御反應是與生俱來的反應，如恐高癥和老鼠面對天敵時的恐懼情緒反應。先天性恐懼刺激主要包括天敵、具有攻擊性的同類、疼痛或危險的環境特征。在面對威脅生命安全的恐懼刺激時，動物會做出先天性防御反應以維持生存。先天性恐懼防御反應的產生離不開感知系統的參與，高級中樞通過視覺、聽覺、觸覺以及嗅覺等多感官輸入外界信息，用以趨利避害。先天性恐懼防御反應主要包括凍結、逃跑、攻擊等［4］。先天性恐懼對于物種生存不可或缺［5］，但過度恐懼也會導致精神障礙類疾病，如恐懼癥、焦慮癥、創傷后應激綜合征等［6-8］。因此，對先天性恐懼防御反應的神經環路結構和功能解析不僅可以深入了解先天性防御行為產生的工作機制，而且可以為精神疾病的診斷和治療提供神經生理學依據。本文從不同感官系統接收的信號誘導防御行為角度綜述了動物先天性恐懼防御行為神經環路的研究進展，尤其是嗅覺、視覺、聽覺三個系統的投射環路，以期為揭開特定神經環路參與精神障礙類疾病的機制研究提供參考。

1 嗅覺信號誘導的先天性恐懼防御行為神經環路

嗅覺系統是動物感知外部環境的化學成分信息，以定位和評估食物、交配、社會交往以及避免危險的特殊系統。對于嚙齒類動物來說，嗅覺是最重要的感覺系統，其嗅覺敏感度是靈長類動物的四倍［4］，因此基于嗅覺系統對先天性恐懼環路的研究主要集中于嚙齒類動物。

通過嗅覺系統檢測的危險信號有捕食者的分泌物（如糞便、尿液）、攻擊性或受威脅的同物種釋放的警覺信息素等，均會誘發動物產生強烈的恐懼情緒［1，9-10］。目前對嗅覺恐懼神經環路的研究多數使用狐貍尿液、TMT 和2MT［11-13］。TMT 和2MT均能模擬天敵氣味，且可以穩定誘導嚙齒類動物產生凍結行為，多用于先天性恐懼研究[14-16]。

動物的嗅覺系統包括主嗅系統、副嗅系統、Grueneberg 神經節、馬賽拉中膈器官和三叉神經系統，而對先天性恐懼起作用的主要是主嗅系統和副嗅系統。研究發現，主嗅系統是由主嗅球識別到TMT 并進行初步處理，而后將信號傳給杏仁核皮質部進而調控凍結反應［17］。而副嗅系統是通過犁鼻器-副嗅球-內側杏仁核環路來調控TMT誘導的凍結行為［18］。利用光遺傳選擇性激活外側韁核向外背側被蓋區投射的Glu能神經元足以產生凍結行為［19］。CART 神經肽是先天性恐懼反應的重要調節因子。Rale等［20］發現CART信號可以通過N-甲基-D-天冬氨酸受體介導的Glu 能輸入調節中央杏仁核-腹側終紋床核環路活性，從而參與TMT 誘導的凍結反應。中央杏仁核中表達5-羥色胺2A 受體的神經元集群優先控制TMT誘導的先天性防御的行為輸出［21］。以上研究表明，TMT 暴露能穩定誘發嚙齒類動物產生凍結反應。此外，光遺傳激活前扣帶皮層-基底外側杏仁核環路可抑制狐貍尿誘導的凍結行為［22-23］。

其他防御反應還包括回避行為和應激激素水平的變化等。韁核-腳間核環路介導了狐貍尿引起的防御反應，抑制這條環路能顯著減少回避行為［24］。還有研究發現，嗅皮層亞區和室旁核同時被天敵氣味激活，嗅皮層亞區向室旁核的促腎上腺皮質激素釋放激素神經元的投射可以調控應激激素水平［25］。

PAG 是恐懼表達網絡的下游腦區，是協調先天和后天恐懼防御反應的關鍵。PAG 在不同的防御行為中激活程度不同，在逃跑時的激活程度更為顯著［11］。且PAG 編碼不同程度的捕食性威脅，而不是直接協調不同的威脅導向行為［26］。目前已經發現的嗅覺信號誘導的先天性恐懼不同神經環路交互模式見圖1。

圖1 嗅覺信號誘導的先天性恐懼神經環路示意圖Figure 1 Neural circuit pattern of olfactory congenital fear

2 視覺信號誘導的先天性恐懼防御行為神經環路

相比其他感知系統，視覺獲取的信息更為豐富、快速和高效，尤其人類視覺信息的獲取占所有感知覺信息的70%以上［27］。在面臨威脅時動物依賴視覺系統能快速分辨天敵的物種和距離，并結合周圍環境信息做出最適宜的防御行為。

能激發先天性恐懼的視覺刺激有looming 刺激、天敵暴露和高度刺激等。Looming刺激是一種模擬天敵從高空逐漸逼近的視覺刺激（上視野不斷變大的陰影）［28］，能穩定誘發各種動物的先天性防御行為［29-33］。天敵暴露包括貓、大鼠、蛇和蜘蛛等。動物面臨威脅時采取何種防御行為依賴周圍環境和自身狀態。在有遮蔽物存在的情況下，使用looming刺激時，若小鼠對周圍環境熟悉會采取逃跑行為，若處在陌生環境中則會產生凍結行為［34］。由此可知，對先天性恐懼的防御反應并不是簡單的刺激反應，而是結合先前經驗和自身環境的靈活反應從而選擇最恰當的防御行為［5，35-36］。

相比嗅覺系統，視覺系統誘發的先天性防御反應更多是逃跑。作為視網膜接收器的上丘與視覺誘導的先天性恐懼關系最為密切［37-38］。目前已發現多條上丘相關神經環路參與looming 刺激誘發的先天性防御反應。例如，Lin 等［39］發現上丘-ZIr-丘腦連接核的三突觸環路介導looming 刺激誘導的逃跑反應。上丘內的小清蛋白陽性神經元向二疊體旁核投射的環路可以調節逃跑行為［40］。但又一項研究表明，上丘-二疊體旁核環路并不能介導逃跑行為，而是由二疊體旁核向上丘的反向投射發揮作用。有學者還發現危險信號在內側上丘進行整合處理，傳遞到dPAG通過突觸閾值啟動逃跑行為［41］。上丘的Glu能神經元向腹側被蓋區的GABA 能神經元投射，腹側被蓋區再將信息傳遞給中央杏仁核的三級投射環路介導了looming刺激誘導的逃跑行為［42］。vLGN向內側上丘的GABA 能投射環路同樣可以調節逃跑反應［43-44］。此外，表達CCK 的下丘腦PMd 神經元對于逃跑是必要的，PMdCCK-dlPAG 環路的激活足以誘導先天性防御反應［45-46］。下丘腦VMHdm/c的類固醇生成因子神經元的不同投射分別調節不同的防御行為，如激活VMHdm/c-下丘腦前核環路促進逃避防御行為，而激活VMHdm/c-dPAG 環路則促進凍結行為［5，47-48］。一項研究發現背側海馬-背外側隔膜-下丘腦神經環路的活化減少了逃跑和抵抗等防御行為［49］。最近一項研究表明，下丘腦的外側臂旁核中表達CCK 的陽性神經元向室旁核的投射環路參與逃跑行為［50］。

研究發現，內側中層上丘-丘腦外側后核-外側杏仁核環路介導了looming 刺激誘發的先天性恐懼防御行為，其可能是通過中央杏仁核-PAG輸出環路發揮作用［51］。上丘內的PV 陽性神經元向丘腦外側后核的投射環路同樣介導looming 刺激引起的凍結行為［40］。Salay 等［34］通過化學遺傳發現vLGN 向丘腦連接核和上丘的投射對防御反應有相反的影響，激活vLGNGABA-丘腦連接核環路活性顯著延長looming 刺激誘導的凍結時間；而激活vLGN-上丘環路活性則縮短凍結時間［52］。

腹側中線丘腦的兩個亞區劍突核和丘腦連接核介導兩種性質相反的防御行為，丘腦連接核-內側前額葉環路促進攻擊性反應如顫尾，而亞區劍突核-基底外側杏仁核環路介導逃跑、凍結等防御反應［53］。通過功能性磁共振成像、電生理及光遺傳等技術手段對靈長類動物進行研究發現，當暴露于蛇時，猴子和人類的VMH 均被顯著激活，而暴露于恐怖面容時杏仁核的激活明顯高于中性和快樂面容［54-55］。視覺信號誘導的先天性恐懼神經環路交互模式見圖2。

3 聽覺信號誘導的先天性恐懼防御行為神經環路

聽覺系統在檢測危險信號中同樣發揮重要作用，尤其是對于夜間活動的動物。聽覺系統接受危險的聲音信息并將其傳遞到中樞聽覺系統，中樞聽覺系統對聲音進行加工、分析，感知聲音時程、音色、音強和空間信息，再整合其他感官系統信息判斷危險的方位、來源等后做出相應的防御反應，這對維系個體與種群的生存具有極其重要的意義。

誘發動物產生先天性恐懼情緒的聽覺刺激主要有噪音、同類發出的警報聲、逐漸逼近的聲音刺激等［56］。大鼠在遇到威脅生命的恐懼刺激時會發出22 kHz的超聲，這個聲音會引起同類產生先天性防御行為，而小鼠在1～64 kHz的寬頻信號下會產生恐懼情緒［57］。

ACx在聽覺系統中發揮重要作用。聽覺刺激信息由ACx 傳遞給下丘皮質，進而驅動dPAG 產生逃跑行為，且該環路可以放大先天性防御反應［58］。ACx 向lPAG 的Glu 能投射神經元被噪音顯著激活，光遺傳興奮ACxGlu-lPAG 神經環路引起逃跑行為［59］。此外，Li等［60］發現興奮ACx-上丘環路活性同樣可以產生逃跑行為。未定帶在調節聽覺誘導的先天性防御行為方面發揮了重要作用。ZIr向dPAG的GABA能投射調控高分貝噪聲誘導的逃跑行為［61］。此外，Wang 等［62］發現初級體感皮層-腹側未定帶-丘腦后內側核環路同樣參與噪聲引起的逃跑反應。

ACx 向紋狀體尾部表達D2 受體的椎體神經元的投射介導了漸強聲音誘導的凍結行為［60］。ZIrGABA-vPAG 的抑制性投射可以調控高分貝噪聲誘導的凍結行為［61］。最近研究發現，RtTg 的Glu能神經元被白噪音特異性激活，且耳蝸核-RtTgGlu-脊髓運動神經元環路介導聽覺驚嚇反射［63］。低強度聚焦超聲刺激通過激活PAG 介導多種防御行為，如位置特異性被動回避、逃跑和凍結等行為［64］。聽覺信號誘導的先天性恐懼不同神經環路交互模式見圖3。

圖3 聽覺信號誘導的先天性恐懼神經環路示意圖Figure 3 Neural circuit pattern of auditory congenital fear

4 其他感知覺信號誘導的先天恐懼防御行為神經環路

除了嗅覺、視覺和聽覺外，其他感知覺信號也可觸發先天性恐懼防御反應，如觸覺、前庭覺和窒息感等。不同感官系統信號誘導的先天性恐懼神經環路研究見表1。Choi等［65］在前外側通路中發現兩個對皮膚機械刺激（熱刺激、有毒刺激）高度敏感的脊髓投射神經元集群，分別表達速激肽1 型受體和G 蛋白偶聯受體83，這兩個集群投射向外側臂旁核的不同亞核分別調控逃跑行為和自主反應。廣場恐懼癥是一種空間感知改變綜合征，診斷標準是前庭癥狀和對視覺空間運動刺激的敏感性，采用多種影像學方式對亞臨床廣場恐懼癥患者的大腦結構和功能進行研究后發現，患者的前庭視覺-空間-額葉網絡的功能結合性降低［66］。臨床研究表明，相較于健康者，杏仁核受損患者暴露于危險刺激時恐懼顯著減少［67-68］。但另一項研究發現，三位杏仁核損傷患者吸入35%二氧化碳后會發生恐懼和驚恐發作，其恐懼程度遠高于健康者［69］。說明了杏仁核在恐懼中發揮了重要作用，但不是恐懼產生所必需的，如二氧化碳誘發的恐懼不會被杏仁核損傷所影響。

表1 不同感官系統信號誘導的先天性恐懼神經環路研究一覽Table 1 Summary of innate fear neural circuits of different sensory systems

5 結 語

近些年來隨著遺傳學的發展出現了各種記錄和操縱神經元群體的工具，如光遺傳、在體鈣成像和神經環路示蹤技術等，先天性恐懼防御反應的神經機制研究因此取得更多進展。相比對腦功能探索的傳統技術，這些工具證實了對細胞類型特異性的大腦區域研究的重要性，同時提示了調控不同先天性防御行為神經環路機制的多樣性和復雜性。相同威脅刺激誘發的同一恐懼防御行為常有多條神經環路參與，但這些神經環路之間是如何相互作用尚不清楚。而對于相同威脅刺激誘發不同恐懼防御反應，除了由不同神經環路介導之外，腦內活性物質如神經遞質是否參與的研究尚少。目前對先天性恐懼神經機制的研究集中在嚙齒類動物上，對靈長類動物的研究較少，因此研究結果難以實現臨床轉化。

未來對先天性恐懼神經環路的研究還應注意以下方面:①參與同一威脅刺激誘發相同防御行為的神經環路如何相互作用；②結合神經遞質熒光分子探針等技術實現特異性動態檢測先天性恐懼相關腦區活性物質的含量變化；③隨著影像學的不斷發展，可以利用功能性磁共振成像、腦電圖和腦磁圖等先進技術對靈長類動物的先天性恐懼防御行為的神經環路進行更詳細的研究；④通過跨物種比較，揭示不同物種之間先天性恐懼防御行為神經環路的共同特點和差異，探究這些神經環路的保守性和多樣性。

志謝 研究得到國家自然科學基金（81973596）、河南省科技攻關項目（212102310341）支持

Acknowledgements This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (81973596),Key Science and Technology Project of Henan Province (2121 02310341)

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

Conflict of Interests The authors declare that there is no conflict of interests

?The author(s) 2023.This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)