Nat Commun：快樂是怎么被記住的？科學家揭示氯離子穩態動態調控獎賞學習機制

當我們學習“某個聲音代表有獎勵”（比如聽到提示音就知道要得到糖）時，大腦并不是簡單地靠“快樂物質”多巴胺完成的。實際上，抑制性神經元（像大腦的“剎車系統”）也在關鍵時刻悄悄調整自己。

基于此，2025年12月9日，美國喬治城大學藥理學與生理學系Alexey Ostroumov研究團隊在Nature communications雜志發表了“Dynamic changes in chloride homeostasis coordinate midbrain inhibitory network activity during reward learning”揭示了氯離子穩態的動態變化協調中腦抑制性網絡在獎賞學習中的活動。

研究人員在大鼠中發現，在學習關鍵期，中腦負責抑制多巴胺神經元的GABA能神經元會發生一種特殊變化：一種叫KCC2的轉運蛋白表達下降，導致這些神經元內部的氯離子平衡被打破。這一變化主要影響外側中腦邊緣多巴胺通路，并且只在學習過程中出現，鞏固后就消失。這種KCC2下調使GABA神經元之間的活動更加同步，進而增強多巴胺神經元對獎賞及其相關線索的反應。相反，如果人為增強KCC2功能，GABA神經元同步性降低，多巴胺信號減弱，動物就難以學會將線索與獎賞聯系起來。簡言之，中腦GABA神經元通過短暫調整自身的離子穩態，協調放電節奏，從而“打開窗口”讓多巴胺系統有效編碼新獎賞信息，這一動態適應對學習至關重要。

圖一 獎賞學習重塑VTA GABA神經元的氯穩態

研究人員在大鼠中探究獎賞學習是否改變了腹側被蓋區（VTA）GABA能神經元的氯離子平衡（即陰離子穩態）。他們利用一種鈣敏感染料CaMPARI2在神經元活躍（鈣升高）并接受紫外光照射時會從綠變紅，結合光纖記錄在經典條件反射訓練中“標記”出參與線索-獎賞學習的GABA神經元。

只有在成功建立線索-獎賞關聯（配對組）的大鼠中，處于學習習得期（行為快速提升階段）的活躍GABA神經元才表現出GABA電流反轉電位（EGABA）的去極化偏移，說明其內部氯離子濃度升高、抑制功能減弱；而基線期和學習穩定后的平臺期則無此變化。未被激活的GABA神經元或非配對組（刺激無關聯）中的神經元，EGABA始終保持超極化，表明僅刺激本身不足以引發改變，必須形成學習關聯。

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進一步機制分析顯示，這種氯穩態變化源于KCC2轉運蛋白在絲氨酸940位點的去磷酸化，該修飾會降低其排出氯離子的能力。Western blot證實，習得期磷酸化KCC2水平顯著下降，而總KCC2和另一氯轉運體NKCC1的表達不變。值得注意的是，VTA多巴胺神經元在相同階段并未出現EGABA變化，說明這一調控特異性發生于GABA能神經元。

綜上，獎賞學習在關鍵窗口期通過下調KCC2活性，短暫削弱VTA GABA神經元的抑制功能，從而可能增強多巴胺信號，促進線索-獎賞關聯的形成。這一過程具有細胞特異性、時間特異性和學習依賴性，揭示了離子穩態動態調節在學習中的重要作用。

圖二 VTA GABA神經元及KCC2下調參與獎賞學習

研究發現，VTA GABA能神經元在獎賞學習的習得階段起關鍵作用。通過光遺傳技術在訓練中抑制這些神經元，會顯著延緩大鼠建立“線索-獎賞”關聯的能力；即使在學習中途開始抑制，也會阻斷關聯的進一步形成。

這種作用與KCC2功能下調密切相關：在VTA局部注射KCC2激活劑（CLP290）會削弱學習，延長達到習得標準所需時間，且僅在習得期有效，不影響已鞏固的行為；反之，特異性敲低GABA神經元中的KCC2則加速學習進程。

這些結果表明：在獎賞學習的關鍵窗口期，VTA GABA神經元通過暫時降低KCC2活性，改變氯離子穩態，從而調節自身抑制強度，為多巴胺系統有效編碼新關聯“打開通道”。這一動態調控對線索-獎賞學習的建立至關重要。

圖三 VTA GABA神經元在學習習得期間表現出增強的協同活動

接下來，作者探究了VTA中KCC2下調如何促進學習的機制。

膜片鉗和在體電生理記錄發現，在獎賞學習的習得階段，VTA中的GABA能神經元會表現出毫秒級（<10 ms）的同步放電且這種同步不僅出現在線索刺激期間，也存在于試次間隔等非刺激時段。相比之下，基線期和學習穩定后的平臺期同步性明顯較低。

進一步實驗表明，這種同步活動受KCC2功能調控：

激活KCC2（注射CLP290）顯著降低GABA神經元的同步放電；

抑制KCC2（注射VU0463271）則增強同步性。

這些操作不影響動物運動能力，說明同步變化是特異性由KCC2介導的。結果表明，在學習關鍵期，KCC2下調使GABA神經元氯穩態改變，導致它們更傾向于時間上精確同步放電，從而可能協調下游多巴胺神經元對獎賞線索的響應。這種毫秒級同步是學習過程中GABA環路動態調節的重要特征。

圖四 VTA GABA神經元的光遺傳同步化可增強刺激誘導的簇狀放電

基于前期發現，作者提出：VTA中GABA神經元在學習期間的毫秒級同步活動（約10 Hz）可能增強多巴胺（DA）神經元的相位性簇狀放電，這是編碼獎賞預測誤差的關鍵信號。

為驗證這一點，研究人員在GAD-Cre大鼠VTA中表達光敏通道ChR2并以10 Hz頻率光刺激GABA神經元，模擬學習時的同步放電。

在腦片實驗中，當用谷氨酸誘發DA神經元產生簇狀放電時，同步激活GABA神經元顯著增加了每個放電簇中的動作電位數量，但未改變簇內放電頻率。類似結果也在麻醉大鼠體內得到驗證：當電刺激傳遞獎賞線索信息的腳橋被蓋核（PPTg）誘發DA神經元放電簇時，同步激活GABA神經元同樣增強了簇的強度（更多脈沖/簇），而簇內頻率不變。

這些結果表明：VTA GABA神經元的節律性同步并不直接激發DA神經元，而是通過精細調控其網絡狀態，放大由獎賞相關輸入驅動的相位性反應，從而可能提升獎賞信號的信噪比，助力學習。

總結

這項研究發現，大腦在正常學習時會短暫“調低”VTA中GABA神經元的抑制功能（通過下調KCC2）以幫助建立獎賞關聯。而這一本該適時開啟又關閉的機制，在成癮、抑郁等疾病中被異常“卡住”，導致獎賞系統失調。因此，理解這一過程不僅揭示了學習的神經基礎，也為治療多種神經精神疾病提供了新靶點。未來或可通過精準調控KCC2，恢復大腦的正常可塑性，而不干擾健康功能。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66838-x

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