The medial preoptic area (MPA) is a hypothalamic region that mediates various innate behaviors including social interaction and parental behaviors. There have still been more elusive behavioral functions controlled by neural circuits, as MPA is extremely heterogeneous and intensely connected to other hypothalamic regions. We have discovered other previously unknown behavioral functions of a specific population of neurons in MPA and its output projections to ventral periaqueductal gray (vPAG), by using optognetic manipulations specifically targeting that particular circuit. First, we found that a subset of neurons in MPA induce a strong craving for three-dimensional (3D) objects via neuronal projections to vPAG. Exploiting this observation, we devised a learning-free method to precisely steer animals’ moving directions based on eliciting this strong craving for 3D objects. We made a head-mounted 3D object, the direction of which and timing of photostimulation were wirelessly controlled. Using this MPA-induced drive assisted steering (MIDAS) system we were able to precisely control the navigation pathway of mice in real time without prior training through a programmed route in a complex maze. Second, we found that ultrasonic vocalizations were elicited by photostimulation of MPA. Interestingly, such USVs were emitted in the absence of social targets and the pattern of USVs was modulated according to the frequency and intensity of photostimulation. Therefore, we discover two novel functions of MPA in mediating object craving as an innate behavior and affecting ultrasonic vocalization in mice.
Medial preoptic area (MPA)는 사회적 상호 작용과 부모 행동을 포함한 다양한 본능적 행동을 매개하는 시상 하부 영역이다. MPA에는 매우 다양한 세포 타입이 있을 뿐만 아니라 다른 시상 하부 영역과 복잡하게 연결되어 있기 때문에 각 신경 회로의 기능을 명확하게 파악하지 못하고 있다. 우리는 광유전학적 접근법을 통해, MPA의 특정 타입의 신경 무리와 ventral periaqueductal gray (vPAG)에 연결된 신경 회로가 기존에 알려지지 않은 행동들을 조절한다는 것을 발견했다. 첫째, 우리는 MPA의 일부 신경들이 vPAG에 연결된 회로를 통해 3 차원 (3D) 물체에 대한 강한 탐닉을 유도한다는 것을 발견했다. 이를 활용하여 생쥐를 학습을 시키지 않고도 3D 물체에 대한 탐닉을 이끌어 냄으로써 동물의 이동 방향을 정확하게 조정할 수 있는 방법을 고안했다. 이를 위해 우리는 머리에 장착 가능한 장비를 만들었고, 물체의 방향과 광자극은 무선으로 제어되도록 설계했다. 이러한 MPA 욕구 유도 조향 장치 (MPA-induced drive assisted steering; MIDAS) 시스템을 사용하여 복잡한 미로에서 프로그래밍 된 경로를 통해 사전 훈련없이 마우스의 실시간 탐색 경로를 정밀하게 제어 할 수 있었다. 둘째, 우리는 MPA의 광자극에 의해 생쥐에서 초음파 발성 (ultrasonic vocalizations; USVs)이 유도된다는 것을 발견했다. 흥미롭게도 USVs의 패턴은 사회적 상호 작용 대상이 없어도 관찰 되었고, 광 자극의 빈도와 강도에 따라 조절되었다. 따라서 우리는 생쥐의 본능적 행동 중 하나로서의 물체 탐닉 행동과 초음파 발성을 조절하는 MPA의 두 가지 새로운 기능을 발견했다.
