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文献解读

神经精神药理学综述|基于光遗传学和化学遗传学研究介导抑郁症的神经环路

2021-12-02  

编者按

     过去十年光遗传学和化学遗传学技术经历了跨越式发展,这两种技术均展现出对细胞活性的强大的控制能力,均能有效而精确地操纵神经元活动。为了对不同类型的神经元和相关环路进行特异性调控,光遗传学设计出各种视蛋白、光敏通道来激活或者抑制细胞活性。而化学遗传学则是通过受体的设计,利用特定药物激活受体DREADDs来调节细胞的活性。与传统药理学手段相比,视蛋白和DREADDs可以大大增强细胞类型的时空调控,可以更精确的解析抑郁症背后的神经环路。然而与光遗传学相比,化学遗传学在研究抑郁症相关的神经环路中的应用一直受到限制。小编在这里给大家推荐Muir J等发表在Neuropsychopharmacology题为“Wiring the depressed brain: optogenetic and chemogenetic circuit interrogation in animal models of depression”的综述文章,作者回顾了这两种技术在抑郁症动物模型相关神经环路中的应用。表明化学遗传学与光遗传学一样,在神经元活性操控中具有重要地位



表1. 光遗传学工具概览(包含视蛋白名称、家族、类型和最佳波长等)


表2. 化学遗传学工具概览(信号通路、激活化合物和神经元效应)


图1. 光遗传学和化学遗传学技术的示意图概述

 

一、抑郁症的动物模型

     基于压力应激和抑郁症之间明确的相关性,大多数动物可以通过慢性应激或急性应激来诱导抑郁样行为。抑郁样行为可以通过一系列的行为学表型进行评估,如糖水偏好实验、悬尾实验(TST)和强迫游泳实验(FST)。这些行为学可以从某一方面反映抑郁症的核心特征,因此广泛运用于行为表现和抑郁症之间的研究中。常见的慢性应激抑郁模型有:慢性社会挫败应激模型(CSDS)、慢性温和应激模型(CMS)、慢性不可预知应激模型(CUMS)、慢性可变应激模型(CVS)、习得性无助模型(LH)。而急性应激的动物模型有:强迫游泳、悬尾实验和急性束缚应激(ARS)。在光遗传学和化学遗传学的研究中,研究人员偏好于使用CSDS、CMS和CVS模型进行神经环路相关的研究。

图2. 抑郁症常见的动物模型和行为学检测


表3. 啮齿动物抑郁模型的应激模式概述


表4.抑郁和焦虑样行为的行为分析概述

 

二、光遗传学和化学遗传学在抑郁症中的环路研究

     光遗传学一直是研究抑郁样行为相关神经环路的首选工具,而化学遗传学在抑郁相关神经环路中的研究则相对较少,这可能是由于研究人员更关注于行为的急性控制而不是长期的行为改变。与光遗传学相比,化学遗传学更适合于在慢性应激期间进行操作。光遗传学对于介导抑郁样行为迅速改变的神经环路的研究是非常有价值的,但可能在慢性应激介导的抑郁行为中的治疗效果十分有限,在这一方面,化学遗传学可能具有更好的使用价值。

 

1.腹侧背盖区(VTA)

     腹侧被盖区(VTA)是中脑边缘奖赏环路中的关键脑区,以多巴胺(DA)能神经元为主。由于VTA的DA神经元在动机和奖励中的重要作用,许多研究都集中运用光遗传学和化学遗传学研究VTA在抑郁行为中的作用。CSDS模型的抑郁小鼠,VTA的DA神经元时相性放电增加,而在抑郁抵抗小鼠中并没有观察到这一现象。

     特异性敲除VTA的DA能神经元中的Cdk5,小鼠在经历CMS后表现出明显的抑郁样行为。敲除Cdk5导致TH(酪氨酸羟化酶)磷酸化水平降低,VTA的cAMP信号减少。而通过rM3Ds-DREADD技术激活VTA的DA能神经元能恢复cAMP水平并明显改善小鼠的抑郁样行为。

 

2.伏隔核(NAc)

     NAc主要的神经元是中等有棘神经元(MSN),MSN可分为两类,分别是D1或D2型DA受体表达的MSN,接收来自VTA的DA能神经元和来自皮质和皮质下区域的谷氨酸能神经元输入。D1-MSN和D2-MSN在奖赏和动机上具有相反作用。CSDS之后,光激活抑郁易感小鼠的D1-MSN可提高应激抵抗性,而激活小鼠的D2-MSN则会增加应激敏感性。hM4Di-DREADD抑制D1-MSN增加小鼠对应激的韧性。

 

3.海马(hippo.)

     背侧海马和腹侧海马在功能上具有明显的区别。背侧海马(DH)在空间导航中具有重要作用,腹侧海马(VH)被认为是中枢环路调节情绪行为的关键节点。VH到NAc的投射与小鼠的应激易感性相关,激活VH到NAc的投射,可增加应激小鼠的抑郁样行为,而抑制该投射则会改善小鼠的抑郁样行为。此外,腹侧海马齿状回(DG)和应激敏感性高度相关。化学遗传学沉默DG区的新生神经元,会增加暴露于阈下应激的小鼠的敏感性。

 

4.前额皮层(PFC)

     在抑郁症患者和啮齿动物抑郁症模型的PFC中都可以观察到神经元活性降低。光遗传学激活mPFC(前额叶皮层内侧区)神经元可以逆转社会挫败小鼠的抑郁样行为,如社交回避和快感缺乏。这可能是由mPFC投射到NAc的神经元所介导,化学遗传学定向激活mPFC-NAc的投射增加了抑郁小鼠的社交互动。在习得性无助抑郁模型中,对mPFC中表达小清蛋白(PV)阳性的GABA神经元进行研究,发现压力事件会降低mPFC的PV中间神经元兴奋性突触活性。化学遗传学抑制PV中间神经元促进了习得性无助行为,增加小鼠的逃避潜伏期和失败次数。此外化学遗传学激活vmPFC(腹内侧前额叶皮层)-DRN(中缝背核)的投射可兴奋DRN的GABA能神经元,从而抑制DRN中的5-HT(5-羟色胺)能神经元,促进习得性无助行为。

 

5.外侧僵核(LHb)

     外侧缰核(LHb)是间脑背侧的一个小的脑区,LHb接收边缘前脑的投射,并投射到包括VTA和DRN在内的脑干核团。在缰核进行深部脑刺激在治疗难治性抑郁症方面取得了巨大的成功,因此LHb被认为是治疗抑郁症的关键脑区。通过hM4Di-DREADD抑制大鼠LHb的神经元活性,能减少大鼠强迫游泳的不动时间,发挥抗抑郁作用。

 

6.中缝核(RN)

     中缝核(RN)是5-羟色胺(5-HT)的主要来源。化学遗传学相关实验发现,RN与焦虑和抑郁样行为之间存在密切的联系,在高架迷宫和强迫游泳实验中,激活5-HT神经元增加焦虑行为,但却减少抑郁样行为。中缝核可以被进一步细分为背侧中缝核(DRN)和内侧中缝核(MRN),DRN和MRN介导不同的行为学效应,DRN的神经元主要介导焦虑行为,而MRN的神经元主要介导抑郁样行为。化学遗传学慢性激活DRN的神经元导致前脑多个脑区的代谢活性降低,包括海马、缰核、丘脑中央核和内侧核以及皮质。激活从DRN到NAc的5-羟色胺能神经元的投射能发挥抗抑郁样作用。

 

7.其他边缘区域

     通过光遗传学实验,研究人员发现丘脑纹状体到NAc的投射神经元在应激易感性中发挥重要作用。腹侧苍白球(VP)与中脑边缘奖赏环路有直接连接,因此该脑区与抑郁样行为高度相关。VP区主要的神经元类型是GABA能神经元,此外也有一些谷氨酸能神经元和小清蛋白(PV)阳性神经元投射到一些下游靶点,比如:LHb和VTA。应激还会引起下丘脑室旁核(PVH)的激素分泌变化。下丘脑室旁核接收来自终纹床核(BNST)的信号输入。而抑制BNST-PVH环路可以上调HPA轴(下丘脑-垂体-肾上腺轴)的活性。

图3. 与抑郁行为相关的神经环路


表5. 抑郁样行为的光遗传学研究概述(部分)

VTA:腹侧被盖区;NAc:伏隔核;mPFC:内侧前额叶皮层;VHIP:腹侧海马;DG:齿状回;BLA:基底外侧杏仁核;AMY:杏仁核;PrL:前边缘皮层;LHb:外侧缰核;DRN:中缝背核;ILT:层内丘脑;vSTR:腹侧纹状体;VP:腹侧苍白球。CSDS:慢性社会挫败应激;CMS:慢性温和应激;FST强迫游泳实验;TST:悬尾实验。


表6. 抑郁样行为动物模型的化学遗传学研究概述(部分)

VTA:腹侧被盖区;NAc:伏隔核;mPFC:内侧前额叶皮层;LHb:外侧缰核;MDT:丘脑背内侧核;DRN:中缝背核;CSDS:慢性社会挫败应激;CUMS:慢性不可预知温和应激;FST强迫游泳实验;TST:悬尾实验。


三、光遗传学与化学遗传学:优点和局限性

     光遗传学和化学遗传学都是解析行为学背后的神经环路机制的的强大工具。与传统技术相比,光遗传学更能够以时空特异性和细胞类型特异性的角度来操纵神经元群体。光遗传学时间尺度的精确性,可被应用于电生理学中定向研究突触功能。然而,由于该项技术在绝对开关效应上的局限性,在解释这类型结果需要小心谨慎。此外,光遗传学在脑组织中的透射率方面也存在较大的局限性。相比之下,化学遗传学具有很高的空间覆盖率,腹腔注射CNO后,药物可以在整个神经系统内扩散,进而定向作用于DREADD表达的细胞群体,发挥持久的生物学效应。虽然脑内注射CNO可以将效果局限在特定的脑区内,但药物的扩散范围难以控制,使得这项技术在空间上的精确度比光遗传学要低很多。

 

四、动物模型到临床的转化研究

     虽然最初电刺激调节抑郁症患者的症状打开了该技术用于临床治疗的想象空间,但直接运用到人类身上进行疾病治疗可行性仍较差。而光遗传学和化学遗传学的问世,可通过特定脑区和细胞类型的精确调控,为抑郁症治疗的临床转化提供强有力的工具。非侵入性的经颅磁刺激被认为是临床治疗抑郁症的富有前景的治疗方案,但具体对于什么脑区、什么样的神经元集群采用什么样的刺激策略,需要通过光遗传学和化学遗传学进行进一步探索。但是在抑郁症相关的基础研究中,有一个普遍存在的问题,就是几乎所有的研究都是针对雄性动物进行,基因组测序分析发现介导抑郁症的发病机制存在较大的性别差异,而女性对于抑郁症的易感性显著高于男性,因此对于雌性动物进行抑郁症相关的神经环路研究显得尤为必要。

 

五、总结

     光遗传学和化学遗传学在特定细胞亚型和神经环路中具有精确的调节作用。这些工具之间的互补可从空间、时间和细胞特异性的角度上探测动物行为和大脑环路功能之间的因果关系。测序技术的不断进步揭示了神经元类型的多样性,而通过光遗传学和化学遗传学解析这些神经元相关的活动特征,会对抑郁症的治疗提供丰富的理论基础。并且在体内成像技术(如功能磁共振成像、DREAMM、光纤钙成像、单细胞成像)的配合下光遗传学和化学遗传学将为神经环路的生理功能研究提供新的视角,为我们建立基于精确神经环路治疗抑郁症临床方案指明了新的方向。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41386-018-0291-6.pdf



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