Biol Psychiatry︱高天明院士团队揭示ATP调节抑郁样行为的神经环路机制

发布日期：2022-02-25　　浏览次数：3119

抑郁症（depression），作为一种常见的心境障碍疾病，影响全球逾3.5亿人，其终生患病率达到10%到15% [1]。目前，抑郁症的发病机制尚不清楚。临床上使用的抗抑郁药存在有效率低、副作用大等问题[2]。因此，急需更深入研究抑郁症的发病机制并以此开发新的治疗手段。

 

内侧前额叶皮层（mPFC）作为大脑高级中枢，被认为通过其下行支配的多个脑区来实现对抑郁或焦虑情绪的控制。研究表明，抑郁症患者mPFC的能量稳态失衡，这种失衡在患者接受治疗后得以缓解[3, 4]。此外，大量临床及临床前研究指出，mPFC中的三磷酸腺苷（ATP）——一种体内重要的细胞能量来源，其功能紊乱参与了抑郁症的病理生理过程[5, 6]。然而，ATP是如何调节抑郁行为的？其细胞及神经环路机制是什么？这些问题仍不清楚。

 

2022年2月22日，南方医科大学的高天明院士团队在《生物精神病学》（Biological Psychiatry）上发表了题为“The ATP level in the medial prefrontal cortex regulates depressive-like behaviour via the mPFC-LHb pathway”的研究论文。林嵩、黄浪、罗洲才为论文共同第一作者，高天明院士为论文通讯作者。在此项研究中作者发现，抑郁模型小鼠细胞外ATP缺陷导致其向外侧缰核（LHb）投射的mPFC神经元（mPFC^→LHb）的抑制性突触传入降低且神经元兴奋性升高，而不影响向中缝背核（DRN）投射的mPFC神经元（mPFC^→DRN）。进一步的机制研究表明，mPFC抑制性中间神经元P2X2受体介导了ATP对mPFC^→LHb神经元功能及抑郁样行为的调节。该研究从细胞及神经环路水平阐明了mPFC中ATP对抑郁样行为的调节机制，为抑郁症及ATP的抗抑郁作用提供了理论基础。（拓展阅读：高天明课题组最新研究，详见“逻辑神经科学”报道：Mol Psychiatry | 高天明课题组揭示恐惧记忆消退的局部神经网络机制；Mol Psychiatry︱高天明课题组揭示星形胶质细胞和神经元在突触可塑性和记忆中的不同作用；JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路）

以往研究报道mPFC-DRN通路及mPFC-LHb通路可能介导抑郁症的发生[7, 8]。那么抑郁中mPFC-DRN及mPFC-LHb两条环路是否发生功能改变？如果是，这些改变又是如何发生的？这些改变是否会导致抑郁症的发生？带着这些问题，作者首先运用逆行示踪、膜片钳记录等方法，分别检测了抑郁模型小鼠mPFC^→LHb和mPFC^→DRN神经元的突触传递功能及神经元兴奋性。结果显示，暴露于慢性社交挫败模型（CSDS）的抑郁易感小鼠，其mPFC^→LHb神经元自发的抑制性突触后电流（sIPSC）显著降低，并表现出兴奋性升高，而mPFC^→DRN神经元的突触传递功能及神经元兴奋性并无明显改变（图1）。

图1 CSDS易感小鼠mPFC^→LHb神经元抑制性突触传递及兴奋性改变

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

为了进一步验证抑郁行为中这一改变，作者又采用了在前期研究中已证实会产生抑郁样行为的IP3R2全身敲除小鼠（Itpr2^-/-），也发现同样的结果，即mPFC^→LHb神经元sIPSC显著降低及兴奋性升高，而不影响mPFC^→DRN神经元功能（图2）。这些相一致的结果提示，mPFC^→LHb神经元sIPSC及神经元兴奋性异常可能是抑郁症的共有机制。

图2 Itpr2^-/-小鼠mPFC^→LHb神经元抑制性突触传递及兴奋性改变

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

作者前期研究表明，胞外ATP缺陷是介导抑郁易感小鼠及Itpr2^-/-小鼠产生抑郁行为的重要因素[5]。那么上述现象是否由胞外ATP缺陷所介导的呢？为了进一步回答这个问题，作者加入25 μM ATPγs——一种无法水解的ATP类似物，在这一浓度下，ATPγs并不会影响野生型及抑郁抵抗小鼠mPFC^→LHb神经元的突触传递功能及神经元兴奋性。然而，作者发现，25 μM ATPγs可以逆转抑郁易感小鼠及Itpr2^-/-小鼠mPFC^→LHb神经元sIPSC及神经元兴奋性异常（图3），说明抑郁中mPFC^→LHb神经元sIPSC及神经元兴奋性异常是由胞外ATP缺陷所介导的。

图3 ATP缺陷介导抑郁小鼠mPFC^→LHb神经元抑制性突触传递及兴奋性改变

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

以往研究报道，ATP可通过P2X2受体调节抑制性突触传递及抑郁行为[5, 9]。为了验证抑郁小鼠中ATP对其介导的功能调节需要通过抑制性中间神经元P2X2受体，作者利用P2X2-shRNA特异性敲低抑制性中间神经元P2X2受体，并首先检测抑制性中间神经元在P2X2受体敲低后的功能变化。作者发现，敲低抑制性中间神经元的P2X2受体显著降低了神经元的兴奋性且阻断了ATP对抑制性中间神经元的兴奋作用（图4 B-D）。说明P2X2受体对于ATP调节抑制性中间神经元兴奋性具有关键作用。那么抑制性中间神经元P2X2受体是否介导了ATP对mPFC^→LHb神经元的调节作用呢？作者发现，敲低抑制性中间神经元的P2X2受体显著降低了mPFC^→LHb神经元的sIPSC及神经元兴奋性，且阻断了ATP对sIPSC及神经元兴奋性的调节（图4 E-K）。这些结果证实了ATP对其介导的突触及神经元功能的调节需要抑制性中间神经元P2X2受体。

值得注意的是，敲低抑制性中间神经元的P2X2受体表现出的sIPSC与神经元兴奋性功能异常与抑郁小鼠所表现出的结果相一致，提示抑制性中间神经元P2X2受体可能介导胞外ATP缺陷所诱发的抑郁样行为。为了进一步证明这一假说，作者对抑制性中间神经元P2X2敲低小鼠进行行为学检测。结果发现，抑制性中间神经元P2X2敲低可直接诱导小鼠抑郁样行为，表现在糖水偏好实验（SPT）中更低的糖水摄取比例及强迫游泳实验（FST）中更长的不动时间，但不影响其运动功能。此外，抑制性中间神经元P2X2敲低阻断了ATPγs的抗抑郁作用（图4 L-O）。这些结果表明，ATP通过抑制性中间神经元P2X2受体介导抑郁样行为的调控。

图4 抑制性中间神经元P2X2受体介导ATP对mPFC^→LHb神经元功能及抑郁样行为的调节

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

基于上述研究结果，作者发现mPFC-LHb活动增强是抑郁小鼠的共有特征，那么，激活这条通路能否直接诱导抑郁样行为呢？为了验证这一假说，作者利用化学遗传学方法直接激活C57BL/6J小鼠mPFC-LHb通路。结果发现，激活mPFC-LHb通路足以诱导小鼠抑郁样行为。那么抑制mPFC-LHb通路活动是否可以缓解抑郁模型小鼠由胞外ATP缺陷诱发的抑郁样行为呢？作者发现，利用化学遗传学方法抑制mPFC-LHb通路可以显著改善抑郁敏感小鼠及Itpr2^-/-小鼠的抑郁样行为（图5）。这些结果表明，mPFC-LHb通路可能是介导胞外ATP缺陷诱发抑郁样行为的关键通路。

图5 mPFC-LHb通路对胞外ATP缺陷诱发的抑郁样行为非常重要

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

图6 工作总结图：ATP调节抑郁样行为的神经环路机制

（图源：Lin S, et al., Biol Psychiatry, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

以往研究报道mPFC-DRN通路及mPFC-LHb通路可能介导抑郁样行为[7, 8]。在本研究中，作者首次揭示了mPFC^→LHb神经元抑制性突触传入功能损伤，可诱发投射神经元的兴奋性增加，进而激活LHb神经元，最终导致抑郁样行为的产生。这一结果与LHb的兴奋性升高介导抑郁样行为这一观点相一致。

 

临床及临床前研究表明，mPFC中胞外ATP缺陷是介导抑郁样行为的重要因素[5, 6]。本研究中研究人员发现，加入低浓度ATPγs可以显著缓解抑郁小鼠mPFC^→LHb神经元的抑制性突触传递功能及神经元兴奋性异常，但不影响这类神经元的兴奋性突触传递功能，这与中枢神经系统中ATP可调节抑制性突触传递功能的观点相一致[10, 11]。值得注意的是，前期研究同样报道ATP对于兴奋性突触传递功能的调节[12, 13]。而结果显示，低浓度ATP对抑郁小鼠抑制性突触传递功能存在选择性调节作用，作者认为其可能原因是，相较于兴奋性神经元，抑制性中间神经元被激活后会产生更高的放电频率[14, 15]，也因此对抑郁小鼠中ATP的降低反应更加敏感，相关证据尚需进一步研究。

 

在本研究中，作者发现中间神经元P2X2受体是ATP调节抑制性中间神经元兴奋性的重要介质，这种对抑制性中间神经元兴奋性的调节进而会调控mPFC^→LHb神经元的抑制性突触传入及神经元兴奋性。这些结果首次揭示了ATP能够通过P2X2受体直接调节抑制性中间神经元兴奋性进而介导抑郁样行为，这与抑制性中间神经元功能受损介导抑郁行为这一观点相一致[16-19]。未来的研究需要探索ATP对抑制性中间神经元的调节功能是普遍现象还是仅限于某种神经元亚型。

 

临床研究表明，抑郁患者在接受抗抑郁药治疗后胞外ATP水平升高[20-24]。本研究中，作者发现P2X2介导mPFC^→LHb神经元抑制性突触传递的调节是ATP抗抑郁效果的重要介导因素。因此，作者推测ATP-P2X2介导的对mPFC^→LHb神经元抑制性突触传递的调节也可能介导了其他抗抑郁药的治疗效果，相关证据尚需进一步研究。

 

总之，本研究提供了充足的证据证明mPFC的ATP水平对抑郁行为的调控是通过特定通路的方式进行（图6）。这些结果为抑郁症及ATP的抗抑郁作用提供了理论基础。

林嵩（左），博士，第一作者； 高天明（右），教授，通讯作者

（照片提供自：高天明课题组）

文章来源：逻辑神经科学

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