乙酰胆碱 - 多巴胺动态变化调控雄性性行为的神经机制研究取得重要进展

《Neuron》：Sequential transitions of male sexual behaviors driven by dual acetylcholine-dopamine dynamics

本文揭示了伏隔核腹侧壳（vsNAc）中乙酰胆碱（ACh）- 多巴胺（DA）动态变化对雄性小鼠性行为的调控作用。

　　### 引言
在哺乳动物中，雄性在遇到发情期的雌性时会展现出一系列刻板的性行为，包括求偶行为（如嗅闻、追逐）和交配行为（如骑跨、插入、射精）。这些行为的有序表达不仅关乎雄性的吸引力，还对性行为的成功完成至关重要。虽然已有研究指出某些脑区与特定性行为相关，如内侧视前区（MPOA）参与交配行为，伏隔核（NAc）与求偶行为有关，但对于从骑跨到插入再到射精这一系列性行为转换的神经机制，科学界仍知之甚少。

多巴胺（DA）信号在性动机和行为中发挥着关键作用，而乙酰胆碱（ACh）信号在雄性交配行为中的调节作用也逐渐受到关注。然而，这些神经递质在何处以及如何相互作用来调节雄性性行为，依旧是未解之谜。本研究基于 ACh 信号调节纹状体中 DA 释放的相关报道，提出 ACh 信号通过调节 NAc 中的 DA 动态变化来调控雄性性行为这一假设，并展开深入探究。

结果

1. vsNAc 中 DA 动态变化与雄性性行为序列转换密切相关：研究人员通过在 C57BL/6J 雄性小鼠的 NAc 不同亚区域进行光纤光度记录，发现 vsNAc 和核心区（cNAc）的 GRAB_DA2m信号在雄性性行为的各个转换阶段均有所增加，而内侧壳（msNAc）则没有此现象。值得注意的是，只有 vsNAc 在插入过程中呈现出 1 - 2Hz 的 GRAB_DA2m信号节律性波动，且与插入时的骨盆推力节奏同步。这表明 vsNAc 可能是 DA 动态变化调节雄性性行为序列转换，尤其是从插入到射精转换的关键脑区。
2. 插入过程中 vsNAc 中 DA 节律的局部调节：通过双色霍乱毒素 B 亚基（CTB）介导的逆行标记以及光纤光度记录，研究发现 vsNAc 和 msNAc 分别接受来自前外侧（al）和后内侧（pm）腹侧被盖区（VTA）神经元的投射。在雄性性行为过程中，alVTA 的多巴胺能神经元活动与 vsNAc 中的 GRAB_DA2m动态变化一致，但在插入过程中，alVTA 和 pmVTA 神经元均未出现 GCaMP 信号的节律性波动。而 vsNAc 投射的多巴胺能（DA^VTA→vsNAc）轴突终末的 GCaMP 动态变化，在信号强度和节律性波动方面都与 vsNAc 中的 GRAB_DA2m动态相似，这表明 vsNAc 中的 DA 动态变化是在局部进行调节的。
3. 插入过程中 vsNAc 中的双 ACh - DA 节律：免疫组化证实了 vsNAc 中存在胆碱能中间神经元（ChAT^vsNAc），且与 DA^VTA→vsNAc轴突相邻。通过双光纤光度法同时监测 ACh 和 DA 动态变化，研究人员发现插入过程中存在特定的双 ACh 和 DA 节律。小波相干分析和快速傅里叶变换（FFT）分析表明，1 - 4Hz 频段内 ACh 和 DA 节律的相干性在插入过程中显著增加，且存在 1.5 - 2.2Hz 的特定频段，该频段在插入前和插入后阶段均不存在。此外，ACh 节律在插入开始前就已出现，且在插入过程中骨盆推力短暂暂停时仍持续存在，而 DA 节律则在插入开始后才出现，这表明 ACh 节律可能是产生双 ACh - DA 节律的主要驱动力。
4. 射精前插入的特征：在成功的性行为周期中，大多数插入不会导致射精（仅插入，IO），而最后一次插入通常会引发射精（射精前插入，IPE）。研究发现，IPE 插入开始时，双 ACh - DA 节律的相干性显著增强，且在射精前，DA 节律会出现特定的减慢，同时伴随着 DA 释放的大幅增加。这种 DA 节律的短暂抑制仅在 vsNAc 中观察到，而在 msNAc 和 cNAc 中未出现，这可能是插入到射精转换的先决条件。此外，IPE 开始时 ACh 节律的 2.2Hz 功率比 IO 开始时更强，在 IPE 结束时，ACh 节律的 1.6 - 2.0Hz 功率显著降低，而 2.2Hz 功率显著升高，这表明 2.2Hz 的 ACh 节律可能通过导致 DA 节律减慢来促进插入到射精的转换。
5. ACh - DA 节律与性行为特征的详细分析：研究发现，双 ACh - DA 节律会受到性经验的调节，随着性测试次数的增加，1 - 4Hz 的 ACh - DA 相干性逐渐降低。此外，长插入（>30s）期间的 1 - 4Hz 相干性明显强于短（<10s）和中等（10 - 30s）插入，但双 ACh - DA 节律的相干性与插入次数无关。
6. ACh 信号调节 vsNAc 中的 DA 释放：通过在ChAT^Cre小鼠的 vsNAc 中进行腺相关病毒（AAV）介导的实验，并结合离体 NAc 脑片成像、光遗传学和药理学操作，研究人员发现光遗传激活 ChAT^vsNAc神经元可引发 NAc 脑片中 GRAB_DA2m信号的立即增加，这种胆碱能刺激诱导的 DA 释放可被 nAChR 拮抗剂抑制。同时，mAChR 拮抗剂在不同频率的光刺激下对 DA 释放具有不同的作用，这表明 ACh 信号通过 nAChR 信号促进 DA 释放，但在某些情况下也会通过 mAChR 信号抑制 DA 释放。
7. DA 信号相互调节 vsNAc 中的 ACh 释放：在ChAT^Cre;DAT^Cre小鼠的 NAc 脑片中进行离体 Ca^{2 +}成像实验，结果表明光遗传刺激 DA^VTA→NAc轴突会在 ChAT^NAc神经元中引发不同的反应。此外，在 vsNAc 中存在同时表达Drd1和 ChAT 以及Drd2和 ChAT 的神经元，D2R 激动剂可抑制 ChAT^NAc神经元的活动，从而抑制 ACh 释放，而 D1R 激动剂则会导致 ACh 释放在不同程度上发生变化，这表明 DA 信号通过 D1R 和 D2R 对 ACh 释放进行相互调节。
8. 双 ACh - DA 节律的建模：通过计算建模，研究人员发现双 ACh - DA 节律是由 ACh 和 DA 之间的相互调节产生的，这种调节通过 D2R 信号在胆碱能神经元中以及 D2R 和 nAChR 信号在多巴胺能轴突终末中实现。抑制 ChAT 和 D2R（而非 D1R）的表达会降低雄性性行为的概率，这进一步证实了双 ACh - DA 节律在雄性性行为中的重要性。
9. vsNAc 中高 DA 信号对维持插入的重要性：光遗传操作 DA^VTA→vsNAc轴突终末的实验表明，在插入前或插入过程中激活 DA 释放，可增加插入的总持续时间和插入次数，而抑制 DA 释放则对雄性性行为没有影响，这表明 vsNAc 中的高 DA 信号促进了插入的起始和维持。
10. DA 介导的对 D2R^vsNAc神经元的抑制维持雄性性行为，而对 D1R^vsNAc神经元的抑制确保性行为的向前进展：通过光纤光度记录和光遗传操作，研究发现插入过程中 D1R^vsNAc和 D2R^vsNAc神经元的活动均被抑制。光遗传激活 D2R^vsNAc神经元会立即停止性行为，而激活 D1R^vsNAc神经元在插入过程中会导致重复骑跨行为，这表明 DA 介导的对 D2R^vsNAc神经元的抑制对于维持雄性性行为至关重要，而对 D1R^vsNAc神经元的抑制则确保了性行为的向前进展。
11. vsNAc 中的 ACh 信号促进插入和射精的顺序转换：光遗传操作 ChAT^vsNAc神经元的实验表明，在插入前抑制 ACh 信号会显著延长骑跨、插入和射精的潜伏期，而在插入过程中激活 ACh 信号则会诱导快速射精，并导致 DA 节律减慢，这表明 ACh 信号在 vsNAc 中促进了插入到射精的转换。

讨论

1. vsNAc 中双 ACh - DA 动态变化驱动雄性交配行为的顺序转换：本研究首次确定 vsNAc 是调节雄性性行为从插入到射精转换的关键脑区，其中独特的 1.5 - 2.2Hz 双 ACh - DA 节律与骨盆推力节奏同步，对维持插入起着重要作用。ACh 信号促进插入的起始，而 DA 信号通过抑制 D2R^vsNAc神经元来维持插入，光遗传激活 ChAT^vsNAc神经元可引发射精，这些结果表明双 ACh - DA 动态变化协调驱动了雄性交配行为的顺序转换。
2. 双 ACh - DA 节律由 ACh 和 DA 释放的相互调节产生：ChAT^vsNAc神经元和 DA^VTA→vsNAc轴突在插入过程中均表现出节律性活动，表明双 ACh - DA 节律是由它们之间的相互作用在局部调节产生的。离体实验和计算建模进一步证实了 ACh 和 DA 释放之间的相互调节作用，尽管研究主要关注了 nAChR、D1R 和 D2R，但不能排除 mAChRs 以及非胆碱能 D1R^vsNAc和 D2R^vsNAc神经元在双 ACh - DA 节律产生中的潜在作用。
3. D1R 和 D2R 信号在雄性性行为中的不同功能：研究发现插入过程中 D1R^vsNAc和 D2R^vsNAc神经元均被抑制，这与 “阈值” 假说相符，即 DA 信号优先导致 D2R 介导的对 D2R^vsNAc神经元的抑制，而 D1R^vsNAc神经元未被激活。光遗传激活 D2R^vsNAc神经元会停止性行为，而激活 D1R^vsNAc神经元会导致重复骑跨，这表明 DA 介导的对 D2R^vsNAc神经元的抑制对于维持性行为至关重要，而对 D1R^vsNAc神经元的抑制则确保了性行为的正常进展。
4. ACh 信号通过触发 DA 节律减慢来调节射精时间：在射精前，DA 节律会出现特定的减慢，同时伴随着 DA 释放的大幅增加。光遗传激活 ChAT^vsNAc神经元可导致类似的 DA 节律减慢并引发射精，而抑制 DA^VTA→vsNAc轴突则不会引发射精。这表明 ACh 信号在调节射精时间方面起着关键作用，其机制可能与激活抑制性 mAChRs 有关。此外，本研究的发现为早泄等性功能障碍的研究提供了新的方向，有望推动相关治疗方法的开发。

研究总结

本研究通过多种实验方法，深入探究了雄性小鼠性行为中 vsNAc 中 ACh - DA 的动态变化及其调节机制。研究结果揭示了双 ACh - DA 节律在雄性性行为中的重要作用，为理解雄性性行为的神经机制提供了新的视角，也为相关性功能障碍的研究和治疗奠定了基础。未来的研究可以进一步深入探讨其他潜在的调节因素以及它们之间的相互作用，以更全面地了解雄性性行为的调控机制。