恐惧是人和动物最为基本的情绪之一，恐惧会触发逃跑、厌恶或者冻结等不同的行为表型来帮助生命体脱离危险。一直以来，大脑中的杏仁核被认为是恐惧枢纽，将来自嗅觉、视觉、触觉的信号整合后介导恐惧反应，过度的或反复的恐惧刺激是导致焦虑障碍的重要因素。临床研究发现双侧杏仁核损毁的患者仍然可以感受到恐惧并且表达恐惧情绪，提示存在杏仁核以外的恐惧情绪神经机制，然而独立于杏仁核的恐惧情绪神经机制迄今尚不清楚。为了在单细胞层面解析新的恐惧和焦虑神经机制，作者利用了超维景自主研发的微型化大视场型双光子显微镜（FHIRM-LF），实现了在生理条件下捕获清晰的单细胞神经元活动图像。

2024年2月12日，浙江大学医学院李晓明教授团队在国际著名期刊《自然-神经科学》(Nature NeuroScience）上发表题为“一条细胞特异性的前脑至后脑四级神经环路能够独立于杏仁核介导嗅觉本能恐惧和焦虑”(A molecularly defined amygdala-independent tetra-synaptic forebrAIn-to-hindbrain pathway for odor-driven innate fear and anxiety) 的研究论文。利用微型化双光子成像技术等研究手段，发现了脑内主嗅球→脚背侧皮层→外侧臂旁核→丘脑下旁核通路在嗅觉本能恐惧和焦虑中的重要作用。

研究人员发现主嗅球（main olfactory bulb, MOB） —— 脚背侧皮层（dorsal peduncular cortex, DP）这条神经环路参与TMT（狐狸粪便中的成分类似物，神经科学领域中常作为恐惧刺激源）诱导的嗅觉本能恐惧，联合病毒示踪及膜片钳电生理等技术，发现DP可以与前端浅层外侧臂旁核（superior part of lateral parabrachial nucleus, PBNsl）胆囊收缩素（cholecystokinin, Cck）阳性神经元形成兴奋性突触连接，而PBNsl^Cck+阳性神经元又可以继续下行支配丘脑下旁核（parasubthalamic nucleus, PSTh）的速激肽1（tachykinin 1, Tac1）阳性神经元，最终绘制出一条具有分子特异性标记的MOB^Slc17a7+→DP^Camk2a+→anterior PBNsl^Cck+→PSTh^Tac1+四级神经环路。

为了研究这一四级神经环路是否介导嗅觉本能恐惧这一科学问题，研究人员采用双光子成像等技术对这一神经环路的功能展开了进一步研究。双光子的数据显示，当小鼠嗅探水时，仅有5%的前部PBNs1^Cck+神经元响应，而在TMT存在时，57%的前部PBNs1^Cck+神经元活动增加（图1）。作者同样测试了小鼠PBNs1^Cck+神经元对狐狸尿液、雄性小鼠尿液以及花生油的响应模式，发现当小鼠嗅探狐狸尿液时，有55%的PBNs1^Cck+神经元活动增加，而嗅探雄性小鼠尿液和花生油时，仅有10%前部PBNs1^Cck+神经元活动增加（图2）。以上结果表明，该神经环路在TMT诱发的嗅觉本能恐惧逃跑行为中显著激活。

图1. TMT，Water靠近小鼠鼻子时前端PBNsl^Cck+阳性神经元的微型化双光子钙成像结果

图2. Fox urine、Male urine、Peanut oil靠近小鼠鼻子时前端PBNsl^Cck+阳性神经元的微型化双光子钙成像结果

该研究新发现一条主嗅球→脚背侧皮层→外侧臂旁核→丘脑下旁核的四级神经环路，并揭示该通路能够以独立于杏仁核的方式，参与并调控嗅觉本能恐惧和焦虑。这项研究不仅拓展并加深了人们对恐惧和焦虑神经机制的理解和认识，也为理解焦虑障碍等精神疾病的发病机制提供了新的思路。此外，由于这条神经环路是由嗅觉介导的，一个临床治疗方面的价值是：利用气味来治疗恐惧症、焦虑障碍等精神疾病有了新的理论支持。