纹状体是基底神经节环路的主要输入结构,既接收来自皮层、海马、丘脑等脑区的谷氨酸能下行支配,也接收来自黑质致密部多巴胺能神经元的上行调控,从而将皮层传递的运动指令以及中脑多巴胺神经元表征的环境信息,在纹状体中加以整合,将信息通过基底神经节的直接通路与间接通路传递至丘脑,再从丘脑传递至大脑皮层中参与运动计划与执行的神经元中,进而完成机体对感觉运动的控制,以及对奖赏、动机、情绪等高级神经功能的调控。本研究以小鼠负强化学习行为、急性可卡因作用和丙戊酸诱导的孤独症样小鼠三个方面为例,探讨了在不同生理状态下,纹状体直接通路神经元与间接通路神经元不同的功能及活动方式。随着研究的逐渐深入,越来越多的研究发现,纹状体直接通路神经元与间接通路神经元在不同的行为控制过程中共同激活、协同作用,而非早前提出的二元对立关系。如有研究发现,在正强化学习过程中,需要纹状体直接通路神经元与间接通路神经元共同参与,并且在正强化学习完成后,直接通路神经元突触传递增强,间接通路神经元突触传递减弱,从而使两类神经元在正强化学习过程中共同参与,却表现出不同的突触可塑性状态。但在以足底电击介导的负强化学习过程中,纹状体两类神经元的作用机制及突触传递改变与否尚不清楚。由于纹状体还受到来自中脑多巴胺神经元的支配,因而纹状体除了参与机体本能的感觉整合与躯体运动功能外,也是成瘾药物和多种精神疾病作用的靶点。一方面,越来越多的研究开始聚焦于急性使用可卡因等精神依赖性药物对认知功能以及对兴奋性突触功能的影响。有关临床研究发现,可卡因摄入人体后5-15 min血液中浓度达到峰值,根据可卡因作用物种、药物剂量和实验条件的不同,其半衰期为16-72 min。尽管可卡因的代谢很快,但其代谢物仍能在单次摄入24 h后被检出。因而,这种急性摄入可卡因留下的持续性神经适应性影响,必然会持续影响可卡因摄入后的行为改变。以往研究已经证明了急性可卡因暴露后会显著影响伏隔核D1-MSNs和D2-MSNs的谷氨酸能突触传递。但单次摄入可卡因24h后是否会引起背内侧纹状体兴奋性突触传递的改变尚未可知。考虑到负强化学习行为范式对于探究动物如何趋利避害的重要性,推测由急性可卡因摄入造成的神经可塑性改变可能会影响强化学习过程中的神经可塑性形成,造成学习行为障碍,其机制需要进一步深入探讨。另一方面,异常的纹状体活动将导致各种以运动和行为异常为特征的病理改变,如强迫症、帕金森综合征、亨廷顿氏舞蹈病等。在大量通过基因敲除技术构建的ASD小鼠模型中,观察到纹状体神经元的突触形态、数目、兴奋性/抑制性突触传递等多方面功能异常。由于ASD的发病涉及多个脑区、多种基因型,在临床上使用丙戊酸（Valproicacid,VPA）造成的ASD样动物模型是结合环境因素与遗传基因交互作用的良好实验模型,在这类小鼠上是否也存在纹状体两类神经元功能的改变,迄今未见报道。因而本研究采用药理学、全细胞膜片钳与单细胞PCR联用技术、光纤记录及化学遗传技术,分别比较了在正常生理状态、成瘾性药物影响、以及以孤独症为代表的病理状态下,纹状体直接通路神经元与间接通路神经元谷氨酸能突触传递的改变,以期为深入理解纹状体中不同类型神经元的工作规律和相关疾病的治疗提供一定的理论依据。具体结果如下:1.纹状体直接通路神经元与间接通路神经元共同介导负强化操作式学习本研究选用足底电击介导的负强化学习范式,由于多巴胺神经元在表征奖赏和厌恶性刺激的环境中对纹状体神经元的谷氨酸能突触传递具有重要的调控作用,因而首先探讨了黑质致密部（Substantia nigra compacta,SNc）多巴胺神经元在负强化学习的学习阶段与习惯化阶段中的动态活动。结果发现,在学习阶段,电击开始会引起多巴胺神经元活动减弱,电击结束多巴胺活动增强;而在习惯化阶段,小鼠已经成功学会如何通过触碰鼻触关闭足底电击后,电击开始多巴胺活动增强。由于SNc多巴胺能神经元的投射区域为背内侧纹状体（Dorsomedial striatum,DMS）,且DMS也在学习行为建立的初始阶段发挥着重要作用,同时本实验室前期药理学结果表明,通过特异性定位DMS微量注射多巴胺受体拮抗剂,特异性阻断多巴胺D1受体和D2受体,均显著阻碍小鼠负强化学习。因而本研究使用脑片膜片钳与单细胞PCR技术联用,记录了小鼠DMS两类神经元的自发兴奋性突触后电流（Spontaneous excitatorypostsynaptic currents,sEPSC）,发现在学习阶段,D1-MSNs突触传递无显著性改变,而D2-MSNs突触前谷氨酸能递质释放增多;而在负强化学习完成后（包含学习阶段与习惯化阶段）D1-MSNs突触传递增强,而D2-MSNs突触传递从学习阶段的升高回落到正常对照水平。同时,通过使用多巴胺受体激动剂,结果发现,特异性激活DMS的多巴胺D1受体,显著增大了D1-MSNs的突触传递水平,所记录sEPSC的增强改变类似于在负强化学习完成后观察到的sEPSC的频率与幅值显著增强;相反,特异性激活多巴胺D2受体,D2-MSNs的sEPSC频率显著下降,对应于在负强化学习完成后观察到的sEPSC频率显著下降;此外,本研究还特异性观察了多巴胺D2受体激动剂对Dl-MSNs的作用,结果发现并未改变Dl-MSNs的突触传递水平。以上结果表明,在学习阶段,动物还未学会如何关闭足底电击时,多巴胺活动减弱,此时通过减少对多巴胺D2受体的激活对间接通路的抑制作用,增强了对D2-MSNS的谷氨酸能突触传递,从而使间接通路在负强化学习的学习阶段发挥主要作用;而当动物掌握了如何关闭足底电击,多巴胺神经元活动增强,从而使大量多巴胺从黑质致密部释放到背内侧纹状体,激活多巴胺D1受体,强化了动物的学习行为,同时,当多巴胺浓度升高时,通过增强多巴胺D2受体对D2-MSNs的抑制作用,减弱了突触前向D2-MSNS释放的谷氨酸,因而在习惯化阶段间接通路活动减弱,而直接通路发挥主要作用。在负强化学习的不同阶段,多巴胺神经元活动动态改变,同时也伴随着DMS中两类神经元突触可塑性的动态迁移,从而使直接通路与间接通路神经元之间相互动态协调,共同介导负强化学习过程。2.单次注射可卡因影响小鼠负强化学习行为和纹状体直接通路神经元谷氨酸能突触传递在探讨了纹状体Dl-MSNs与D2-MSNS参与负强化学习的正常生理功能基础上,本研究进一步评估了单次注射可卡因对小鼠负强化学习的影响。结果发现,单次注射可卡因24 h后,显著损害了小鼠的负强化学习行为,但并不影响小鼠的运动能力和焦虑水平。通过脑片膜片钳与单细胞PCR技术联用,发现可卡因造成小鼠负强化学习障碍的机制可能是,单次注射可卡因24 h后,显著增加了DMS中Dl-MSNs的突触后电流响应,表现为微小兴奋性突触后电流（Miniature excitatory postsynapticcurrents,mEPSC）幅值增大,AMPAR/NMDARratio增大,并且由可卡因造成的Dl-MSNs突触传递增强阻碍了随后通过负强化学习强化的Dl-MSNs突触传递,使小鼠表现出学习行为缺陷且Dl-MSNs突触传递降低。而可卡因并不影响D2-MSNS的谷氨酸能突触传递。为了进一步论证通过电生理记录到的Dl-MSNs突触传递改变与可卡因造成负强化学习缺陷之间的关系,本研究通过化学遗传技术,首先特异性激活正常动物DMS的Dl-MSNs,发现显著阻碍了小鼠负强化学习行为,小鼠表现与可卡因造成的学习行为缺陷相似;进一步利用化学遗传技术,特异性抑制单次注射可卡因24h后的小鼠Dl-MSNs的活动,发现能有效缓解由可卡因造成的学习行为障碍。3.VPA诱导的ASD小鼠纹状体直接通路神经元和间接通路神经元活动异常为了评估在病理改变状态下,两类纹状体神经元的突触功能,本研宄在母鼠妊娠期E 12.5天腹腔注射500mg/kg的VPA,构建了VPA诱导的ASD样小鼠模型。分别通过重复理毛行为、埋珠行为和三箱行为测试等实验,发现VPA小鼠表现出显著地重复刻板行为增加与社交障碍的ASD核心症状,表明VPA诱导的ASD模型构建成功。接着,通过脑片膜片钳与单细胞PCR联用技术,通过记录神经元的mEPSC、Paired pulse ratio（PPR）、AMPAR/NMDAR ratio、eCB-LTD和内在兴奋性,分别从突触前和突触后,突触可塑性长时程改变以及神经元自身状态等方面,评估了VPA小鼠DMS两类神经元的谷氨酸能突触传递与神经元内在兴奋性。结果表明,VPA小鼠mEPSC频率增大,PPR减小,说明Dl-MSNs突触前递质释放增多;mEPSC幅值增大,AMPAR/NMDARratio增大,说明Dl-MSNs突触后电流响应增大;D2-MSNs上mEPSC频率降低且PPR增大,mEPSC幅值与AMPAR/NMDARratio无显著性改变,说明突触前递质释放减小,而突触后电流响应与受体数量相对比值基本保持不变。根据己有文献,可知D2-MSNS的突触前递质释放减少可能与激活代谢性谷氨酸受5（metabotropic glutamate receptors5,mGluR5）介导的长时程抑制（Long-termdepression,LTD）有关,通过激活纹状体D2-MSNs中mGluR5能促进eCB释放,介导LTD过程,因而本研宄使用了mGluR5激动剂,发现在VPA小鼠的D2-MSNs上无法诱导出LTD现象。此外,Dl-MSNs神经元内在兴奋性升高,表现为基强度降低、放电数目和平均瞬时频率增大;D2-MSNs神经元,基强度显著升高,放电数目和平均瞬时频率减少,内在兴奋性降低。