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文献解读

IF=12.78【客户文章】PNAS:复旦/东大陆巍教授与上海交大袁逖飞教授团队合作揭示中脑多巴胺神经元调控强迫症的神经机制

2022-12-19  阅读量:420

啮齿类动物的自我理毛行为可作为人类强迫症(OCD)的表征,被广泛用于OCD的机制研究。前额叶和纹状体之间回路功能失调、单胺传递系统改变被认为是OCD发生的神经生物学因素。研究表明,作为强迫症特征症状的重复刻板行为(如理毛)与受干扰的多巴胺(DA)信号相关,不同的大脑结构如皮层、纹状体、下丘脑、海马、杏仁核,均参与OCD的病理过程,其中皮层-纹状体-丘脑-皮层(CSTC)神经环路功能异常被认为是OCD的核心神经生物学基础。前人研究表示腹中侧眶额皮层(vmOFC)、腹侧纹状体(VMS)过度活跃与重复行为相关,重复的皮层-纹状体刺激能加强vmOFC-VMS功能连接,进而产生持久的OCD样重复理毛行为。而激活外侧眶额皮层(lOFC)-纹状体通路防止条件性和自发重复理毛行为的过度表达。中脑多巴胺能系统与强迫症样行为有关。对啮齿类动物的研究表明,D1受体(D1R)或D1表达神经元的激活会导致过度的刻板理毛,而敲除D1R会减少自我理毛,这表明纹状体中的D1R信号可能有助于理毛。在临床实践中,多巴胺拮抗剂已被用于增强选择性5-羟色胺再摄取抑制剂对OCD患者的治疗效果。然而,多巴胺受体的作用及参与多巴胺控制理毛行为表型的精确脑回路仍不清楚。

2022年11月7日,复旦大学上海医学院/脑科学转化研究院、东南大学生命科学与技术学院陆巍教授课题组与上海交通大学医学院/上海市精神卫生中心袁逖飞教授组合作在PNAS发表论文“Midbrain dopamine neurons arbiter OCD-like behavior”,解析中脑多巴胺神经元调控强迫症样重复刻板行为的神经环路机制。本文中,作者发现中脑黑质致密部(SNc)中的DA神经元在自我理毛行为期间投射到腹侧纹状体(VMS)及外侧眶额皮层(lOFC)。SNc-VMS和SNc-lOFC多巴胺能投射不同地调节理毛行为和纹状体微回路功能。确切地讲,SNc-VMS通路的活性通过D1受体促进理毛,而SNc-lOFC通路的活性则通过D2受体抑制理毛。因此,SNcDA神经元活性通过纹状体和皮层投射的双重门控控制OCD样行为。这些结果显示多巴胺能通路活性的药理学和光遗传学操纵足以恢复正常行为。




1.光遗传抑制SNc-VMS投射改善强迫症小鼠的过度自我理毛行为


基于前人研究方法,研究人员通过重复光遗传学刺激(连续5天)OFC输入提高vmOFC-VMS投射活性构建OCD样重复自我理毛行为的小鼠(OCD样小鼠),行为学记录显示重复刺激后2周小鼠理毛时间明显增加。因此,成功建立了OCD样小鼠模型。中脑多巴胺神经元主要存在于SNc、腹侧被盖区(VTA)。为了研究SNc和VTA投射至VMS环路对OCD样小鼠过度自我理毛行为的影响,于是研究人员使用光遗传学技术分别抑制SNc-VMS和VTA-VMS的多巴胺能投射,结果提示光抑制SNc投射末端活性在OCD样小鼠中产生快速且可逆地抑制增强的理毛时间的效应,而光抑制VTA-VMS投射末端却对理毛时间没任何影响。这些结果表明来自SNc的多巴胺能输入促进OCD样重复行为。


图1. 抑制SNc-VMS环路减少OCD样行为


2.SNc–lOFC环路门控OCD样行为

SNc多巴胺神经元(DANs)投射到多个脑区,为探究SNc的多巴胺能输出,利用顺行示踪病毒在SNcDANs中选择性表达光敏蛋白C1V1(光激活)和EYFP,结果显示SNcDANs胞体、投射到外侧眶额皮层(lOFC)的顺行标记轴突中都可见EYFP表达,表明存在SNc-lOFC的多巴胺能投射。而由于lOFC是SNc的未被报道过的下游靶点,于是,作者利用逆行示踪方法(CTB、retrobeads、retro AAV)进一步验证SNc中逆行标记到的神经元是否也是TH阳性神经元,结果表明用三种逆行追踪方法标记的所有神经元主要位于SNc的同一区域,特别是在SNc同侧腹侧区域。研究人员接下来利用retro AAV并分别结合Cre-Loxp和Flp-FRT系统,结果表示追踪到的1940个SNcDANs中仅投射到VMS的神经元数量为1278、仅投射到lOFC的神经元数量为395、投射到两个脑区的神经元数量为267,表明靶向VMS和lOFC的SNcDANs来自两个不同的神经元亚群。而据报道,lOFC能投射到VMS调控OCD样行为,光遗传刺激lOFC及纹状体中的轴突末端,能恢复行为反应抑制。所以SNc多巴胺神经元通过SNc-lOFC-VMS的长程投射环路调控重复行为变得可能。研究人员进一步的工作证实了这种调控方式的存在。作者利用光遗传刺激lOFC中的SNc轴突末梢,逆转了理毛时间的增加。总的来说,这些结果表明SNc中DANs通过纹状体和皮层投射实现双重门控机制以调节OCD样行为。


图2. SNc–lOFC环路兴奋减轻OCD样行为


3.多巴胺(DA)受体在SNc控制OCD样重复行为中的作用

多巴胺受体拮抗剂已被临床用于治疗强迫症症状,包括重复行为。然而,多巴胺受体在大脑中的何处发挥作用,以及它如何抑制强迫症症状,目前仍不得而知。为了研究多巴胺受体在介导SNc多巴胺能门控调节OCD样行为中的作用,研究人员通过光遗传抑制SNc-VMS环路,随后腹腔注射D1R拮抗剂SCH23390(SCH),结果显示光遗传抑制SNc-VMS投射期间过度自我理毛行为减少,随后SCH处理也表现出相似的对理毛时间的缩短。值得注意的是,SCH处理后1小时,SNc-VMS投射的光抑制并不能进一步减少理毛时间。为避免因腹腔注射SCH产生对除VMS以外脑区的非特异性影响,VMS脑区立体定位注射SCH再次实验,观察到与腹腔注射SCH时类似的对自我理毛时间的调控。这些结果表明SNc通过VMS细胞中D1Rs实现多巴胺能控制VMS局部环路。即VMS中SNc投射神经元中的D1Rs在门控自我理毛行为中发挥关键作用。相似的实验同样用于检测SNc-lOFC通路中多巴胺受体的作用,光遗传激活SNc-lOFC回路联合D2R拮抗剂Halo,观察到不能加强理毛时间的缩短。表示lOFC中SNc投射神经元中的D2Rs参与门控自我理毛行为。


图3. 多巴胺受体亚型在SNc介导自我理毛行为门控中的作用


4. VMS通过微环路实现对小鼠OCD样重复行为的双重门控效应

纹状体中包含各种类型的神经元,包括中等多棘神经元(MSNs)和中间神经元。为探究OCD样小鼠VMS微环路神经元活性变化,作者利用opto-tagging技术记录单单位尖峰,结合不同类型神经元特异的cre小鼠和光遗传激活技术,根据神经元放电的波形特征对不同类型的神经元进行鉴定和区分。结果显示光遗传刺激vmOFC-VMS投射(模拟OCD状态)大多数MSN和PV(小白蛋白)细胞(PV I)尖峰放电增加,但也有一小部分PV细胞(PV II)活性降低。此外,SOM(生长抑素)神经元放电减少。进一步对不同神经元的放电次序进行相关分析发现PV I细胞先于SOM细胞,而SOM细胞先于MSNs。OCD状态下PV I型神经元活性增加抑制了直接相连的SOM神经元活性,进而引起MSNs的去抑制(MSNs活性升高),而PV II型神经元放电改变先于MSNs,且其活性降低导致MSNs的去抑制。光遗传抑制SNc-VMS轴突末梢OCD样小鼠PV I型细胞和MSNs放电减少,及SOM神经元放电增加;另一方面,光遗传激活lOFC-VMS及SNc-lOFC投射,PV II型细胞放电增加。表明SNc-VMS通过支配VMS内PVI-SOM-MSN微环路发挥调控作用,而SNc-lOFC-VMS通过支配VMS内PVII-MSN微环路发挥调控作用。

研究人员进一步实验证明光遗传激活VMS中SNc轴突末端后SCH完全消除了光刺激引起的VMS微环路神经元活性变化;选择性敲除SNc DA神经元中D2R的OCD样小鼠中SNc-lOFC兴奋对理毛时间没任何影响。表明SNc-VMS与SNc-lOFC-VMS分别通过VMS内PV I型神经元上的D1R(突触后)与lOFC内SNc多巴胺神经元投射末梢上的D2R(突触前)调控重复行为。


图4. OCD样小鼠中VMS微环路神经元活性变化


图5. 两条SNc介导的通路中VMS微环路的不同活性变化


结论

本文研究人员构建了强迫症小鼠模型,通过病毒注射技术、光遗传学技术、药理学手段及电生理记录技术,揭示了多巴胺调控重复行为的精准环路基础及不同类型DR亚型对重复行为的差异性调控机制。该研究成果将有可能为重复刻板行为这一众多精神疾病共患症状的诊治提供新的靶点。


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复旦大学上海医学院/脑科学转化研究院、东南大学生命科学与技术学院陆巍教授与上海交通大学医学院/上海市精神卫生中心袁逖飞教授为共同通讯作者。东南大学生命科学与技术学院XueJinwen为第一作者。



通讯作者简介


陆巍,复旦大学上海医学院/脑科学转化研究院、东南大学生命科学与技术学院特聘教授,博士生导师。研究方向:突触发育调控与认知疾病机制。神经系统早期发育、学习与记忆等基本生理活动以及脑卒中等病理活动都涉及到神经系统一个基本现象,即突触可塑性(synaptic plasticity),为突触的形态、大小、数目或递质受体构成等改变引起突触传递功效改变。突触后膜谷氨酸能递质受体数目的改变是突触可塑性的一个重要机制。陆巍教授实验室的研究方向之一在于研究突触后NMDA受体、AMPA受体的转运对突触可塑性的影响,其成果有利于阐明学习、记忆的机制,以及神经退行性疾病等与NMDA受体转运相关疾病的机制。


袁逖飞,教授,博士生导师,上海交通大学医学院/上海市精神卫生中心。研究方向:疾病与脑可塑性研究。以药物成瘾和抑郁症等精神疾病为核心,综合动物模型与临床病人研究,在认知模型(冲动控制、风险决策、工作记忆)、皮层功能(可塑性、皮层抑制、神经调控)、神经环路与突触传递、蛋白功能与分子等多层面进行研究,以探索疾病的生理机制与创新干预手段。



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