摘要
当面对掠食性威胁时，逃向庇护所是一种适应性行为，可以提供长期的保护来抵御攻击者。动物依靠环境中安全位置的知识，本能地执行快速的避难逃跑行动1，2．尽管之前的工作已经确定了逃逸启动的神经机制3.，4在美国，目前尚不清楚逃生回路是如何结合空间信息，沿着最有效的路线快速飞行到避难所的。在这里，我们展示了小鼠脾后皮层(RSP)和上丘(SC)形成了一个编码庇护所方向向量的电路，这是在逃跑过程中准确定位庇护所所特别需要的。遮蔽方向以自我中心坐标编码在RSP和SC神经元中，SC遮蔽方向的调整依赖于RSP的活动。RSP-SC通路的失活会破坏对庇护所的定向，导致逃离最佳庇护所定向路线，但不会导致定向或空间导航的一般性缺陷。我们发现，由于抑制SC神经元具有较高的RSP输入收敛性和突触整合效率，RSP与SC呈单突触连接，形成前馈侧抑制微电路，强烈驱动抑制丘网络。这导致抑制性SC神经元和急剧调谐的兴奋性SC神经元有广泛的遮蔽方向调谐。这些发现通过一个生物约束的spike网络模型得到了概括，在该模型中，RSP输入到局部SC循环环结构生成了一个圆形的庇护所方向图。我们提出，这种RSP-SC电路可能专门用于生成记忆空间目标的脑皮层表示，这些目标在逃跑过程中易于被运动系统访问，或者更广泛地说，在必须尽快到达目标的导航过程中。
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确认
这项工作由惠康高级研究基金(214352/Z/18/Z)、盖茨比慈善基金会和惠康基金会(GAT3755和219627/Z/19/Z)的塞恩斯伯里惠康中心核心赠款以及欧洲研究委员会资助(合并号为214352/Z/18/Z)。864912) (T.B.)， MRC博士奖学金(R.V.)，勃林格Ingelheim基金会博士奖学金(R.V.)，盖茨比单元/SWC神经科学联合研究奖学金(D.C.)， UCL威康4年神经科学博士课程(O.P.A.)， A*STAR国家科学奖学金(博士)(Y.L.T.)， SWC博士课程(Y.L.T.)，魏茨曼英国建立联系补助金(R.S.P.)和BBSRC补助金BB/V009680/1 (R.S.P.)。我们感谢Branco实验室成员和T. Mrsic-Flogel的讨论;J. Rapela和P. Shamash就统计分析提供意见;A. Murray, I. Duguid, C. Schmidt-Hieber, N. Burgess, M. Tripodi和I. Bianco实验室对手稿进行评论;M. Strom, T. Okbinoglu, R. Campbell, SWC神经生物学研究机构和FabLabs提供技术支持;K. Betsios编写数据采集软件;t·r·斯通(T. R. Stones)的灵感;g·t·格雷的病毒构造。老鼠剪影的来源:https://scidraw.io/．
作者信息
作者及隶属关系
贡献
D.C.和r.v.:行为实验。d.c.， F.C.和Y. l.t.:理论模型。dc:单单元录音。O.P.A, A.V.S.和Y.L.T:体外电生理。dc, p。I。s。k。r。v。手术。特区、O.P.A。R.S.P Y.L.T.和随机变数数据分析。d.c.， p.i.， Y.L.T.和r.v.:组织学准备和成像。t.b.， d.c.， Y.L.T.和R.V:实验设计。T.B.和R.V.构想了这个项目。T.B.撰写了手稿，并听取了d.c.、t.w.m.、Y.L.T.和R.V.的重要意见
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Ivan de Araujo、Marisela Morales和Larry Zweifel对本工作的同行评审所作的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1遮蔽方向单元和头向单元的单个单元记录。
（一个左图:记录后的组织学冠状面图像，显示神经像素探针的轨迹(红色)。右图:所有慢性植入小鼠探针轨迹的3D渲染图(B)遮蔽方向神经元在RSP中遮蔽旋转前后的调谐曲线示例。（C)随机抽样产生的非重叠数据子集的调谐曲线。对于RSP和SC，左边的图采用调优峰值进行排序，右边的图采用排序索引进行排序。（D) RSP和SC屏蔽方向神经元的首选调谐角度总结图。（E) SC和RSP中非中心头向神经元的调谐曲线示例。我们在SC中记录了2%的头向细胞，在RSP中记录了6%。（F)概要图显示在第二个封闭避难所的存在下，探索行为期间竞技场的占用情况。
图2调谐纠缠解耦分析。
（一个)左图为驱动变量(v1)和相关的乘客变量(v2；Pearson相关系数= 0.45)。v1样本来自均值为0，标准差为1的正态分布。的jth的样本v2计算为v2, j=0．5×v1, j+εj，其中εj是从均值为0，标准差为1的第二个正态分布中抽取出来的。对的,v1是用来模拟神经元的峰值，这样发射的概率等于0．1×v1如果v1> 1和0 ifv1≤1。然后应用调谐分析v1，v2以及方法中所述的模拟峰值数据，以计算观测到的和预期的调谐曲线v1而且v2．该方法正确识别v1作为驱动变量。观察到的乘客变量的调谐曲线v2(暗黄色)可以通过调整驱动变量(棕色)来完全解释。相比之下，观察到的对驾驶员变量(深蓝色)的调整不能通过对乘客变量(浅蓝色)的调整来解释。（B)左为实验过程中头部遮蔽角和头部方向变量示意图。对，在我们的实验设置中，头部遮蔽角和头部方向之间的相关性为每个网格位置绘制了八个头部方向值。（C)左为驱动变量为头部方向(上)或头部遮蔽角度(下)的神经元调谐曲线。对，用于确定神经元的驱动变量是头部遮蔽偏移量、头部方向还是都不是的统计方法的插图(详见方法)。简单地说，分布dHSA-dHD(深灰色直方图)表示头部遮蔽角和头部方向的预期调谐曲线与观测调谐曲线是否更相似。如果dHSA-dHD分布显著小于零(均为2.5th和97.5th百分位<0，垂直虚线)的单元格归类为头部方向单元格;如果dHSA-dHD显著大于零(都是2.5th和97.5th百分位> 0)的单元格被归类为头部遮蔽角单元格;否则，该单元不被认为是遮蔽方向单元或头部方向单元。
图3 sc投射RSP神经元功能丧失的组织学。
在以下数据集中为小鼠表达hM4Di的sc投射RSP神经元位置的3D渲染:逃避行为测定，声音定向测定，食物寻找测定，化学发生失活期间的单个单元记录。例如，冠状切面见图。2．
扩展数据图4 RSP功能丧失不影响平均SC发射速率。
(A)在SC投射RSP神经元中表达hM4Di的动物注射生理盐水和CNO i.p.后SC单个单元放电率的种群直方图(P = 0.75单尾Kolmogorov-Smirnov检验;N = 264个单位，2只小鼠)。
扩展数据图5遮蔽物方向误差不依赖于环境亮度水平。
与生理盐水对照相比，在光照和黑暗条件下，sc投射RSP神经元失活后，遮蔽物定向误差都会增加(黑暗:P = 0.0302排列测试;生理盐水:5只小鼠，24次试验;CNO: 11只小鼠，58次试验。光:P = 0.038排列试验;生理盐水:6只小鼠，27次试验;CNO: 9只小鼠，47次试验)。光暗条件下生理盐水(P = 0.46排列试验)和光暗条件下CNO (P = 0.26排列试验)无显著差异。
扩展数据图6 RSP-SC功能丧失对行为影响的附加分析。
（一个- - - - - -F)探索行为中的导航不受sc投射RSP神经元失活的影响。面板显示了在盐水对照(黑色，N = 6)和CNO(蓝色，N = 11)小鼠出现第一个威胁刺激之前的一段时间内探索行为的量化，在sc投射的RSP神经元中表达hM4Di。两组之间没有指标差异(所有指标P > 0.15, 2尾Mann-Whitney检验)。（一个)从实验开始到老鼠第一次进入庇护所之间的潜伏期。（B)老鼠进入庇护所的次数。（C)小鼠在庇护所外停留的时间百分比。（D)在避难所外所走过的路径的总长度。（E)在避难所外探索的竞技场表面的百分比。（F)小鼠在避难所外移动速度的平均和第95百分位。在生理盐水对照组和CNO组之间，第一次威胁刺激出现前的时间间隔没有差异(P = 0.51, 2尾Mann-Whitney检验)。（G)盐水对照组(黑色)和CNO组(蓝色)在威胁出现后的平均速度变化，表明两组小鼠以相似的活力开始逃跑。（H)逃生启动后到达避难所的时间汇总数据。（我)逃逸开始后的飞行长度作为方向误差的函数，表明较大的误差与较短的飞行有关。(拟合函数:Boltzmann s型方程;斜率−5.5,P = 0.02;f统计拟合优度检验与常数模型，P < 0.0001)。阴影区域:95%置信区间。距离归一化为逃跑开始时到避难所的距离。
扩展数据图7皮质功能丧失的组织学。
冠状面和三维效果图显示整个RSP中hM4Di表达靶向的神经元(一个)、后顶叶皮层(B)和前运动区(C)．D显示荧光标记的针对RSP的肌肉素。白色圆圈表示输液管位置。
扩展数据图8 SC神经元的额外皮层输入。
从兴奋性(vGluT2)启动SC细胞追踪的单突触狂犬病冠状图像+)和抑制(vGAT+)神经元群，显示来自后顶叶皮层的显著输入(一个)， m2 (B)和前扣带皮层(C)．
图9投影特异性RSP-SC功能丧失的组织学。
冠状位切面和3D效果图显示植入上丘的导尿管和内套管位置(白色虚线和白圈);A)和前扣带皮层(ACC;B).右侧面板中的插图和蓝色阴影显示了各自小鼠的sc投射RSP神经元，表达hM4Di。插图B(右上)显示sc投射RSP神经元的轴突侧支到ACC。
扩展数据图10声压头位移预测和声压方向的量化。
（一个)交叉验证混淆矩阵，用于从SC射击率中解码未来头部位移角度(提前100毫秒)的LDA总体(预测精度:0.78)。（B)总结数据显示，小鼠准确地定位声音(对左右扬声器没有偏见，对左右转弯也没有偏见;P = 0.27, P = 0.33，排列测试；N = 36,6只小鼠)，潜伏期短(C(左)和快速动作(C,对吧)。（D)总结数据显示，小鼠在定位声音或避难所时同样准确(P = 0.82排列测试；对声音定向N = 36,6只小鼠;N = 32,5只小鼠)。（E)朝向声音精度不依赖于声音开始时鼠标与扬声器之间的距离(斜率=−0.012,P = 0.48，线性回归)．
图11 RSP激活期间SC种群动态的主成分。
SC vGAT主成分1和主成分2+和SC vGluT2+皮层激活时的神经元(数据同图。4 b)．前两个主成分足以解释数据中存在的大部分方差(84%)，并且与SC vGAT观测到的时间动态非常相似+和SC VGluT2+神经元。
图12接收RSP输入的SC神经元的生物物理特性。
（一个)躯体电流注入动作电位激发的总结曲线。（BRSP输入到SC神经元的短期可塑性的总结数据。
图14双视蛋白辅助电路映射和光标记病毒注射和纤维放置的三维重建。
整个RSP(蓝色)、表达chr2的SC vGluT2中表达chrsonr神经元位置的3D渲染+和vGAT+用于自由移动和头部固定的双视蛋白和光标记实验的神经元(黄色)和光纤(白色圆柱)。例如，冠状切面见图。4．
补充信息
补充信息
补充表1-4。
补充视频1
在naïve老鼠中逃离听觉威胁的例子。
补充视频2
在探索过程中被长期植入的老鼠的例子。
补充视频3
头部遮蔽角变量的估计。
补充视频4
示例逃到避难所位置1和避难所位置2。
补充视频5
逃逸过程中sc投射RSP神经元的化学失活。
补充视频6
逃逸过程中RSP神经元的化学失活。
补充视频7
逃逸过程中RSP神经元的药理失活。
补充视频8
逃逸过程中上丘sc投射RSP神经元轴突末端的化学失活。
补充视频9
逃逸过程中前扣带皮层sc投射RSP神经元轴突末端的化学失活。
补充视频10
声音分析方向。
补充视频11
声音测定定向过程中sc投射RSP神经元的化学失活。
补充视频12
食物寻找实验中sc投射RSP神经元的化学失活。
权利和权限
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坎帕格纳，D.， Vale, R.，谭，Y.L.et al。在逃跑过程中用来寻找庇护所的皮质-丘回路。自然(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05553-9
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05553-9
