严军/李小军等点评 Neuron|约翰斯霍普金斯大学Mark Wu团队发现外侧杏仁核脑区生物钟调控昼夜节律行为的神经机制

学术   2024-10-12 00:08   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文刘  强
点评严  军(中国科学院神经科学研究所)Matthew S. KayserUniversity of Pennsylvania,李小军西安交通大学

责编︱王思珍


哺乳动物的生理和行为的日常节律由视交叉上核 (The suprachiasmatic nucleusSCN) , 即生物钟主调控区进行调控。除了SCN,全身各处局部生物钟也被认为能够对特定的生物节律进行调控。例如,过去几十年的研究表明,外周生物钟(如肝脏中的生物钟)在调节代谢过程的周期性中起着重要作用。在大脑SCN之外,局部脑区生物钟的研究仍然具有一定挑战性。比如,钟基因(CLOCK)在哺乳动物大脑神经元中广泛出现,但尚不清楚哪部分神经元中的钟基因在调节节律性行为中发挥重要作用。


近日,约翰斯霍普金斯大学Mark Wu教授团队近期在Neuron上在线发表了题为 ‘An amygdalar oscillator coordinates cellular and behavioral rhythms的研究成果。该研究利用单细胞RNA测序,膜片钳,环路示踪以及光遗传等技术,发现了mWAKE基因在外侧杏仁核脑区 (LA) 所标记的神经元在调控昼夜节律行为中起到了重要作用。此研究发现外侧杏仁核脑区mWAKE的表达水平以及mWAEK神经元的兴奋性表现出昼夜节律变化,并且该脑区的生物钟在调控焦虑行为以及触觉感知的昼夜变化中起到了重要作用。

 

为了探究生物钟在特定脑区的功能,研究人员首先构建了一种由Cre控制表达的钟基因显性失活的腺相关病毒(AAV-DIO-Clock-DN)。通过将该病毒注射到mWAKECre小鼠的外侧杏仁核脑区中,可以在mWAKE细胞中特异性敲除钟基因的功能。研究结果发现尽管mWAKE细胞仅占整个外侧杏仁核脑区的一部分,但外侧杏仁核脑区mWAKEadLAmWAKE)神经元钟基因功能的丧失却影响到了整个外侧杏仁核区的生物钟关键基因 (PER2) 的昼夜节律表达(图1所示)

1 adLAmWAKE神经元生物钟的功能调控整个外侧杏仁核的生物钟

接下来,研究者探索了外侧杏仁核脑区mWAKE细胞的生物钟能否调控节律性行为。通过观察神经元的投射模式,研究人员确定了相关的脑区以及相关动物行为。该研究主要聚焦于两个下游区域,次级躯体感觉皮层(Secondary somatosensory cortexS2)和伏隔核中心区域(Nucleus accumbenscore, NAc)。研究结果显示,光激活adLAmWAKE -S2这一神经环路会抑制触觉感知,而激活adLAmWAKE -NAc这一神经环路则会引起焦虑行为(图2


2 adLAmWAKE神经元通过不同的神经环路调控对外界触觉感知以及内在焦虑行为


随后,研究者使用AAV-DIO-Clock-DN病毒探究adLAmWAKE神经元的生物钟是否参与调控这两种行为的昼夜节律。研究结果表明,adLAmWAKE神经元的生物钟在触觉感知和焦虑行为的昼夜节律性调控中起到了关键作用3


3 adLAmWAKE神经元钟基因功能的缺失影响触觉感知以及焦虑行为的昼夜节律

进一步研究发现mWAKE基因本身也能够调控触觉感知以及焦虑行为的昼夜节律性行为(图4


4 mWAKE基因本身在LA调控触觉感知以及焦虑行为的昼夜节律


该研究表明位于SCN以外的局部脑区生物钟可以调控昼夜节律性行为?那么这些局部脑区生物钟的作用是什么?首先,这些局部脑区生物钟可以进行模块化调控进而影响一些相关行为的昼夜节律,其次是局部脑区生物钟可以被相关的因子所调控。比如研究较多的局部外周生物钟是肾脏生物钟:基于肾脏在消化功能上的重要作用,之前的研究表明限制性饮食可以特异性地改变肾脏的生物钟,但是对生物钟主调控区SCN没有影响。基于相同的逻辑,由于外侧杏仁核在处理恐惧信息中发挥着很重要的作用,于是研究人员进一步检测了恐惧能否改变外侧杏仁核的生物钟。结果表明,一种从狐狸粪便中提取的可以诱导小鼠天生恐惧的气味(TMT)可以特异地反转外侧杏仁核生物钟关键基因 (PER2) 的昼夜节律表达(图5

5,恐惧诱导气味(TMT)可以反转外侧杏仁核钟基因(PER2)的昼夜节律

文章结论与讨论,启发与展望

行为的节律性调控被认为是一个网络系统,主节律调控中枢视交叉上核(SCN)通过分泌分子或直接与间接的突触信号来协调局部或外周生物钟。然而,生物钟已经被证明对感觉输入的敏感性呈现昼夜节律性,并且这种节律性调控不依赖于SCN。因此,昼夜节律网络可能包含中间级别的节点,这些节点在组织跨脑区的分子和行为节律中起着关键作用。该研究揭示了,adLAmWAKE神经元作为这种中间级别生物钟发挥着重要作用。这些细胞不仅能够在SCN丧失功能的情况下维持其节律性,还能够调节其他大脑子区域的节律。此外,adLAmWAKE神经元不仅调控单一行为,还能够协调多种相互关联的昼夜节律行为。鉴于mWAKE基因在多个存在局部生物钟的大脑区域中表达,该分子可能广泛定义了具有内在节律性的局部脑区生物钟,从而在大脑中协调昼夜节律相关行为和信息传递。



专  家  点  评

严军(研究组组长、高级研究员,中国科学院神经科学研究所)


This paper recently published in Neuron by Liu et al. in Mark Wu’s lab represents an exciting advancement in our understanding the neural-circuit mechanism of circadian clock controlled behaviors, particularly in its identification of a discrete extra-SCN brain oscillator in the lateral amygdala (LA). The LA is often regarded as the “sensory gateway” to the amygdala, a key region for emotional processing. Interestingly, their study identified an extra-SCN brain oscillator in the anterior dorsal LA marked by mWAKE gene (adLAmWAKE). The mWAKE gene was previously discovered by Mark Wu’s lab as the mouse homolog of WAKE gene in drosophila that was considered to label clock neurons through a series of studies. The current study suggested that adLAmWAKE neurons dictate the rhythms of a behavioral module, namely, the external touch/pain perception and an internal state (anxiety) via distinct circuit projections and mWAKE-dependent up-regulation of BK channels. These findings revealed an elegant mechanism by which a brain oscillator promotes increased anxiety and reduced sensory perception during the day when mice seek shelter to sleep, but reduced anxiety and increased touch perception during the night when mice are active and exploring the environment. They found that molecular rhythms of the adLAmWAKE oscillator are markedly influenced by a fear-inducing odor, suggesting that this local clock mechanism can be entrained by external cues. Together, these findings defined a new extra-SCN brain oscillators at the cellular level and uncovered the molecular and circuit mechanisms by which the clock organizes sensory perception and internal states.

(译文)Mark Wu实验室刘强等人最近发表在《Neuron》上的这篇论文,代表了生物钟调控昼夜节律行为及其神经环路机制研究领域的一项重要突破。特别是他们在外侧杏仁核(LA)中发现了一个独立的于视交叉上核(SCN)的局部脑区生物钟。外侧杏仁核通常被视为杏仁核的感觉门户,是情绪处理的关键区域。有趣的是,他们的研究发现杏仁核脑区的生物钟是位于LA的背侧且由mWAKE基因标记(即adLAmWAKE)。WAKE基因是Mark Wu实验室在之前的果蝇研究中发现的,能够标记具备生物钟功能的神经元,而mWAKE则是该基因在小鼠中的唯一同源基因。在这项研究中,他们发现adLAmWAKE神经元通过不同的神经投射路径和对BK钾通道的调控,定义了一个调节昼夜行为的模块,进而协调外在触觉/痛觉的感知与内在焦虑状态。这些发现揭示了一个引人注目的机制:在白天(小鼠入睡时期),该脑区的生物钟会增加焦虑感但降低对外部触觉的感知;而在夜晚,当小鼠活跃并探索外界环境时,焦虑感减弱但触觉感知增强。他们还发现,adLAmWAKE所定义的生物钟的分子节律受到恐惧气味的影响,这表明该脑区的生物钟能够被外部因素调节。总体而言,这些发现不仅在细胞层面定义了一个全新的、位于SCN以外的局部脑区生物钟,还揭示了生物钟如何通过分子和神经机制协调外部感觉感知与内在状态。

Matthew S. KayserAssociate Professor of PsychiatryUniversity of Pennsylvania

The work by Liu et al. is truly groundbreaking, as it defines a new mechanism by which behaviors can be regulated by circadian clocks outside the primary pacemaker (suprachiasmatic nucleus). Specifically, they show that a fear-inducing odor can entrain a local oscillator in the amygdala, providing a pathway for modular, hierarchical control of distinct behaviors. I was impressed by the level of mechanistic detail that the authors achieved in defining this process, and believe the findings will have a major impact on the field.

(译文)刘强等人的研究具有开创性,揭示了行为可以通过主要生物钟(视交叉上核)之外的局部脑区生物钟来调节的新机制。具体而言,他们发现引发恐惧的气味能够调整杏仁核脑区生物钟的变化,进而提供了一个模块化、层级化的途径来控制不同行为。我对作者在阐明这一过程时所展示的详细机制印象深刻,且相信这些发现将对该领域产生深远影响。

李小军(教授,西安交通大学前沿科学技术研究院)


The SCN is the master circadian pacemaker that coordinate the timing of many biological functions. In contrast, the function of local brain oscillators is poorly understood. Recently, this Neuron paper demonstrated that the clock output molecule mWAKE defines a local oscillator in the LA, which organizes molecular and behavioral rhythms. Overall, their findings represent a significant advancement in the field of chronobiology.
(译文)SCN是调控众多生物功能昼夜节律的主调控中枢。然而,与之相比,局部脑区生物钟的功能仍然知之甚少。最近,这篇Neuron文章揭示了钟基因下游分子mWAKE在外侧杏仁核中定义了一个局部脑区生物钟,进而调控分子和行为的昼夜节律。他们的研究成果为生物钟研究领域带来了重要的突破



原文链接:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.08.013

约翰斯霍普金斯大学医学院博士后刘强为论文的第一作者,约翰斯霍普金斯大学医学院Mark Wu教授为本文通讯作者。该研究获得NIH基金的支持。


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