恐惧和焦虑会引起防御性行为反应，这些反应的进化使机体能够避免或减少伤害，从而确保其生存。在许多生物中都可以观察到恐惧和焦虑与防御性行为的关联，这反映了恐惧和焦虑对于适应潜在危险环境的重要性。在数十年的研究中，科学家们确定了与恐惧、恐惧消退、焦虑和相关防御行为有关的大脑区域。新开发的遗传和病毒工具、光遗传学和先进的活体成像技术也使表征复杂神经元回路中特定细胞类型的活动、连接和功能成为可能。这篇文章将通过基于电路的方法阐述大脑如何获得控制恐惧和焦虑的能力以及如何协调适应性防御行为，以期为科学家们开发新药物来减轻社会以及人们过度恐惧及焦虑的负担提供新思路。

我们对习得性恐惧的大部分理解大都来自于Pavlovian的恐惧条件反射研究。如图1，在这个范式中，最初的中性刺激（条件刺激CS，如音调）通过与厌恶事件（非条件刺激US，如足震）相结合来唤起恐惧。

图1 条件化恐惧

Pavlovian恐惧条件反射由于其简单性和稳定的行为输出，是研究联想学习的神经元基质和记忆形成机制的强大模型。事实上，使用这个模型的研究表明，大脑中有一个分布式的网络参与学习和表达恐惧反应。这些结构包括但不限于，杏仁核、内侧前额叶皮层和海马体。然而，关于适应性是如何在已定义的电路中实现的，以及如何由局部微电路的离散组件来调节的主要问题仍然没有得到解答。对于前脑到脑干恐惧通路的身份、连通性和功能仍有待于基于回路的方法来确定。

许多实验室的研究已经确定了颞叶中的杏仁核对于获得和表达条件性恐惧至关重要，参与恐惧学习的杏仁核可以分为基底外侧杏仁核（BLA）和中央杏仁核（CEA）两个主要的子区域，它们在细胞类型和功能组织方面有根本上的不同。BLA是一种皮质样结构，其中约有80%由谷氨酸能棘状投射神经元组成，约20%由γ-氨基丁酸能神经元组成。BLA可细分为外侧杏仁核（LA）、基底杏仁核（BA）和基底内侧杏仁核（BMA）。相比之下，CEA是一个纹状体样结构，由GABA能中棘神经元组成，其中许多投射到大脑区域，可调节防御行为。

恐惧学习的基本原则之一是杏仁核内依赖于适应性活动的必要性。早期的研究表明，听觉恐惧条件反射增加了听觉神经元在LA的诱发反应幅度，从而阻断了由感觉传入的电刺激引起的突触适应性。LA的条件诱导可塑性先于皮层和丘脑的条件诱导可塑性，而条件诱导的可塑性比条件行为反应发展得更快，因此被认为是驱动条件恐惧行为的原因。支持这一观点的研究是，条件性恐惧记忆可以通过对LA感觉传入的光遗传抑制而可逆地失活。

与听觉通路相比，关于厌恶的非条件刺激如何到达LA，以及在与条件刺激收敛时诱导联想适应性上的研究较少。然而，据报道，LA神经元可优先对意外的而非预期的非条件刺激作出反应。当非条件刺激的发生幅度出乎意料时，强的教学信号（较大的预测误差）驱动LA神经元的可塑性和学习。有证据表明，在使用足电击的恐惧条件反射实验中，这些指导性的预测误差调制信号通过涉及中脑导水管周围灰质(PAG)的通路间接引入LA回路，PAG是一个中脑结构，是CEA输出的目标，有助于对恐惧的表达。

恐惧条件作用涉及到多种突触可塑性机制。有力的证据支持是NMDA型谷氨酸受体（NMDAR）依赖性可塑性在LA感觉传入中的作用。NMDAR的药理学阻断不仅在行为水平上消除了恐惧条件反射，而且在LA中消除了其生理相关性。通过干扰LA中NMDAR依赖性的突触AMPA型谷氨酸受体的募集，也获得了类似的结果，这是其他脑区可塑性表达的一个很好的机制。

局部电路抑制性中间神经元是一种调节控制元件。越来越多的证据表明，BLA投射神经元的神经元活动和适应性受到GABA能抑制的严格控制。早期的体外研究表明，谷氨酸能传入神经的突触适应性的诱导需要前馈抑制控制来暂时缓解。最近，一项体内研究探索了BLA中间神经元复杂的组织和功能如何控制学习过程中BLA投射神经元的感觉诱发活动（如图2）。

图2使用光遗传学研究听觉恐惧条件反射

另一项研究表明（图3），非条件刺激可抑制PV+和SOM+中间神经元，进而导致整个生长树突轴的去抑制。因此，在恐惧条件反射过程中，条件刺激-非条件刺激关联涉及BLA投射神经元生长树突轴的抑制转移，这是由已定义的神经元亚型之间相互作用介导的。这种机制可以使条件刺激诱导的树突状信号与由非条件刺激诱导的更广泛的活动信号联系起来。识别这些信号的生理和分子性质可能揭示了恐惧条件反射背后的突触和细胞适应性的核心机制。此外，由于中间神经元是不同神经调节系统的重要靶点，去抑制回路的调节可能是神经调节剂控制回路状态和行为的基本机制。

图3 恐惧学习中的去抑制微电路

CEA在获得条件性恐惧中发挥重要作用。一项研究表明，CEl的药理失活或CEm的光遗传激活诱导了非条件冻结，这表明在基线条件下CEm受到CEl的紧张性抑制控制。并且研究发现，CEl中的神经元活动是获得条件反射所必需的，而CEm中的神经元活动是表达条件反射恐惧反应的必要条件。此外，CEA的离散输出途径介导了不同的恐惧相关行为。CEm神经元向许多直接调节恐惧反应的大脑区域发送投射。许多CEm输出神经元在对条件刺激的反应中增加了它们的放电，光遗传学上增加了CEm神经元活性导致了无条件恐惧反应，而CEm输出减少了条件恐惧。

虽然条件性恐惧的获得和表达依赖于LA中的联想可塑性，但恐惧反应实际上是由一个分布的、高度互联的前脑区域网络介导的（图4）。恐惧条件诱发的条件刺激反应的变化不仅局限于杏仁核，而且在丘脑、听觉皮层、mPFC和海马中也被观察到。鉴于这些大脑区域是相互联系的，无论是通过直接投射还是通过多突触路径，未来的研究需要解决这些大脑区域如何促进条件性恐惧的获得和/或表达-通过反馈到杏仁核回路，或者通过投射到杏仁核等下游区域绕过杏仁核。综上，习得性恐惧是由多个大脑区域中特定神经元亚群的分布线索和环境特异性网络之间的协调活动介导的。

图4 恐惧与灭绝的网络

控制恐惧消退的分布式网络涉及到许多对恐惧条件反射很重要的相同的大脑区域，包括杏仁核、mPFC和海马体（图4）。与恐惧的获得和表达一样，抑制BLA中的神经元活动或破坏突触适应性的操作会损害恐惧的消失。消退以一种特定于背景的方式减少LA中条件性刺激诱发的活动，活动减少的程度与恐惧行为测量的减少相关。此外，在稳定的长期消退记忆形成过程中，BLA恐惧神经元和消退神经元之间的活动平衡发生了切换，这与BLA中NMDAR依赖性细胞可塑性是形成长期消退记忆的重要过程的观点一致。

恐惧是由离散的、严重的威胁刺激引起的，但焦虑可以定义为对模糊的、潜在威胁的情绪反应。焦虑的特征是持续的唤醒、警惕性和恐惧，它导致特定的防御行为模式（图5）和伴随的自主反应，这取决于威胁的性质和情境背景。大量证据表明，动物和人类的恐惧和焦虑状态背后的中枢机制是相似的，恐惧和焦虑过程是由部分重叠的神经元基质介导的。

图5 测量焦虑和回避

BNST在介导焦虑中起着重要作用，它是BLA和CEA投射的主要靶点，是所谓的延伸杏仁核的一部分。最近的一项针对不同BNST亚区和输出通路的光遗传靶向研究证明了BNST在焦虑中发挥着重要作用，研究显示了椭圆形BNST(ovBNST)和前背BNST(adBNST)在焦虑中的惊人相反作用，以及adBNST输出到下丘脑外侧区、腹侧被盖区(VTA)和臂旁核的功能分离。并且不同的BNST-VTA通路在焦虑状态的产生中的参与程度正好相反。

图6 焦虑网络

杏仁核由几个功能不同的亚核组成，各个亚核之间的电路以及各种远距离投射在焦虑中可能具有不同的、潜在的相反的功能（图6）。值得注意的是，BLA 投射神经元的体细胞激活能导致增强焦虑样行为，但在CEl中终止兴奋性BLA 轴突投射的选择性激活是抗焦虑的。这表明了在BLA细胞类型或投射水平上的功能异质性，类似于在BLA恐惧回路中发现的情况。因此可以想象，对焦虑很重要的CEA微电路与恐惧有相关性的微电路重叠。

杏仁核的几种输入途径被认为与焦虑有关。在一项使用小鼠体内细胞外记录的研究显示，焦虑样行为中海马腹侧和mPFC之间有正向关联，特别是在编码情境致焦虑特征的mPFC神经元中。然而腹侧海马-mPFC通路在焦虑中的功能意义尚未被阐明，因为这些发现尚未在光遗传学实验中得到补充。

隔海马系统一直被假设在压力诱发的焦虑中起重要作用，因为它可以检测在焦虑环境中诱发的冲突和不确定性，并促进觉醒、注意力和行为抑制。尽管之前的研究强调了恐惧和焦虑背后的大脑区域之间的重要功能差异，如持续恐惧或焦虑(BNST)、条件性恐惧(CEA)、腹侧海马体(情境恐惧)和应激诱导焦虑(LS)，但新的发现表明，这些结构内的特定回路和这些结构不同通路之间的调节可观察到后天和天生防御行为。

图7 效价网络之间的相互作用

新的基于电路的方法解决了局部微电路和远程投射特定通路的作用，这有助于帮助我们了解大脑如何产生恐惧和焦虑状态以及由此产生的适应性防御行为。但是在未来，可能需要利用更精细的交叉光遗传学方法，以揭示恐惧和焦虑中电路功能中的更多细节。

目前的研究也存在不少问题，例如：BLA细胞如何整合汇聚感觉的输入，以及在BLA微电路中发生了哪些适应性变化？恐惧学习背后的教学信号是什么？它们是在哪里产生的？在已定义的CEA神经元中，细胞和突触适应性的分子机制是什么，哪些CEA输出通路和电路机制导致了从被动恐惧行为到主动恐惧行为的转换？不同价态的BLA和VTA回路以哪种方式相互作用，从而产生社会情境中回避和接近行为的适当平衡？这些问题都亟需科学家们加速解决，才能有选择地针对并更有效地治疗由恐惧和焦虑回路失调引起的精神疾病!