Neuron丨迷迭香拯救大脑，揭示鼠尾草酸如何对抗可卡因成瘾

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腹侧被盖区多巴胺（Ventral tegmental area dopamine, VTA^DA）细胞在动机、奖励和厌恶相关行为中起到了中心作用，同时在病理性行为如药物滥用中也扮演着关键角色。VTA^DA系统涉及药物滥用的各个阶段，从最初的奖励效应到戒断，最终到强迫性药物寻求行为,然而由于多巴胺系统的功能过于广泛，使其成为不理想的治疗靶点。研究人员提出，通过调节特定的多巴胺子回路信号，可能在提供治疗效果的同时，能减少负面副作用。尽管不同的VTA^DA细胞亚群在动机行为中起到不同作用，但缺乏独特的基因标记使得这些亚型难以靶向。另一种方法是针对这些亚群所嵌入的回路，并且研究人员已成功应用这一方法，通过首先确定投射至杏仁核的VTA^DA细胞在多次可卡因用药后戒断所引起的焦虑行为中的关键作用，以此利用控制可卡因戒断的回路。通过狂犬病毒（rabies virus, RABV）电路映射，研究发现在生理盐水和可卡因处理的小鼠中，VTA^DA到杏仁核细胞的输入可能被可卡因修饰，特别是来自床核（bed nucleus of the stria terminalis, BNST）GABA能神经元的输入增加。这种输入标签的增加对应自发活动的增加，进而通过去抑制VTA^DA到杏仁核细胞，促进可卡因戒断引起的焦虑行为和复发，这项工作指出了一个以VTA^DA细胞为中心的关键子回路在药物滥用后期阶段（如药物戒断和复发）中的作用。当前研究旨在绘制控制药物滥用早期阶段的回路，重点在于促进药物奖励和自愿摄入。尽管许多参与自然和药物奖励处理的脑区已被广泛研究，如伏隔核（nucleus accumbens, NAc）、内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）和杏仁核amygdala，但可能仍有未被识别或理解不充分的关键回路。

现有研究尚未能充分理解苍白球外侧（globus pallidus externus, GPe）在药物滥用中的作用，特别是关于GPe^PV细胞如何调节对可卡因的行为敏感性还存在许多未知之处。例如，哪些VTA^DA细胞主要受GPe细胞控制、可卡因如何改变GPe^PV细胞的输入、以及这些变化的具体机制尚不清楚。此外，缺乏选择性非侵入性抑制GPe细胞的方法限制了研究的进一步应用。

图源 Neuron

为了探究这些问题，加州大学尔湾分校的Kevin T. Beier团队在Neuron上发表文章Molecular and circuit determinants in the globus pallidus mediating control of cocaine-induced behavioral plasticity，他们通过使用RABV电路映射和行为测试方法，研究了可卡因暴露后GPe^PV细胞的变化及其对行为的影响。研究发现，可卡因暴露后连接至VTA^DA神经元的GPe神经元显著增加，GPe^PV细胞的活动也增强，减少了来自黑质网状部（substantia nigra pars reticulata, SNr^GABA）GABA能神经元的局部抑制，导致VTA^DA细胞的净去抑制，从而促进了可卡因引起的奖励和敏化等行为变化。这些发现揭示了GPe^PV细胞在药物滥用中的关键角色，从而为开发新型治疗策略提供了科学依据。

摘要图

研究人员首先通过化学遗传学方法系统地抑制了投射至腹侧中脑的GPePV细胞和特定投射的VTA^DA神经元，验证了抑制这些细胞可以阻止可卡因诱导的条件性位置偏好（conditioned place preference, CPP）和敏化。实验使用了表达Cre依赖性化学遗传学抑制剂hM4Di的腺相关病毒（adeno-associated virus, AAV）（AAV-FLEx^loxP-hM4Di），并使用释放氯氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide, CNO）的微球来抑制GPePV→腹侧中脑细胞ventral midbrain cells。结果显示，只有在可卡因给药期间抑制投射至伏隔核外侧壳（NAcLat）的VTADA细胞能够阻止奖励和敏化现象，而不影响高架十字迷宫或开放场中心的行为。通过光遗传学手段，研究人员发现光刺激GPePV输入可以减少VTADA→NAcLat细胞的首次动作电位潜伏期，表明这一连接具有去抑制作用。最终，研究表明GPePV→ventral midbrain cells和VTADA→NAcLat细胞在可卡因诱导的行为变化中起相同作用。

图1 连接GPe和VTA^DA →NAcLat细胞

现有研究表明，单次可卡因暴露会减少GPe^PV细胞上来自尾状壳核内侧区（dorsomedial striatum, DMS）的抑制性输入，并增加兴奋性输入，从而提高GPe^PV细胞的活性。研究人员通过RABV输入映射，发现单次可卡因暴露后，GPe^PV细胞上的抑制性输入减少，而兴奋性输入增加，这种输入标记的相对变化与GPe^PV细胞活性升高一致。考虑到间接通路对GPe^PV细胞控制的重要性，研究人员假设激活DMS间接通路（DMS indirect pathway, DMS^D2细胞）应与抑制GPe^PV细胞有相同的效果。为验证这一假设，研究人员在A2a-Cre小鼠的DMS区域注射AAV-FLEx^loxP-hM3Dq，结果显示，激活DMS^D2细胞可预防可卡因诱导的CPP和敏化现象。进一步的电压钳记录实验表明，可卡因触发的GPe^PV细胞自发抑制性突触电流（inhibitory currents, sIPSCs）频率和振幅显著减少，但自发兴奋性突触电流（spontaneous excitatory, sEPSCs）的频率和振幅无显著变化。这些结果表明，可卡因通过减少GPePV细胞上的抑制性驱动，提高了这些细胞的活性。

图2 可卡因将RABV介导的输入标记在GPe^PV细胞上改变，并减少自发性抑制性输入到GPe^PV细胞上

现有研究显示，GPe^PV、DMS^D2、SNr^GABA和VTA^DA等细胞之间的活动是功能整合的，且传递共同信号。研究人员提出了一种回路机制：单次可卡因给药引起VTADA→NAcLat细胞在DMS中的DA释放，减少DMS^D2细胞对GPe^PV细胞的抑制，进而解除对GPe^PV细胞的抑制；GPe^PV细胞激活后，通过抑制SNr^GABA细胞的活动解除对VTA^DA细胞的抑制。研究人员通过光纤光度法测量上述四个节点的活动，发现可卡因给药后1天，DMS^D2细胞活动降低，GPePV→ventral midbrain cells和VTADA→NAcLat细胞活动增加，SNr^GABA细胞活动减少，这些变化与模型预测一致。进一步的PSTH（peri-stimulus time histogram）分析表明，各细胞群在CPP任务中对进入盐水配对或可卡因配对房间chamber的反应相似，且在敏化任务中的活动与行为反应一致。此外，抑制GPe^PV细胞减少了DMS中的DA反应，表明GPe^PV细胞在可卡因给药期间的抑制通过减少DMS中的DA增加来防止可卡因诱导的行为变化。这些结果进一步表明了这些细胞在可卡因诱导的行为变化中起到共同作用。

图3 DMS^D2→GPe^PV→SNe^GABA→VTA^DA→NAcLat途径的每个节点的记录活动

图4 GPe^PV细胞活性的关系与随后的CPP以及可卡因诱导的GPe^PV细胞中Kcnq3和Kcnq5的下调有关

GPe到SNr通路中的KCNQ3和KCNQ5蛋白在小鼠大脑中表达最密集。研究发现，迷迭香（Salvia rosmarinus (rosemary)）提取物鼠尾草酸carnosic acid，是一种选择性较高的KCNQ3/5通道激活剂。由于Kcnq3和Kcnq5在GPe^PV细胞中的下调导致这些细胞的超兴奋性，研究人员假设在可卡因给药前打开KCNQ3/5通道，能产生与hM4Di介导的抑制相似的效果，阻止可卡因诱导的条件性位置偏好CPP和敏化。实验表明，鼠尾草酸处理可显著降低GPe^PV细胞的内在神经元兴奋性，表现为更高的阈电流和较少的动作电位。随后，系统性给药鼠尾草酸完全阻止了可卡因CPP和敏化，而对运动行为无影响。局部注射卡诺酸同样阻止了可卡因CPP，进一步验证了这些效果。使用CRISPR删除Kcnq3和Kcnq5基因后，发现鼠尾草酸对这些基因敲除小鼠的动作电位率和阈电流无显著影响，表明卡诺酸的效果是通过KCNQ3/5介导的。最后，研究人员测试了鼠尾草酸在静脉自我给药（intravenous self-administration, IVSA）模型中的效果。结果显示，无论是低浓度还是高浓度的鼠尾草酸处理，都减少了12天内主动杆按压次数和可卡因摄入量的增加速度。鼠尾草酸通过降低GPe^PV细胞的兴奋性，减少了可卡因的奖励价值，从而降低了可卡因的自愿摄入，这表明鼠尾草酸可能成为减少可卡因奖励和敏化的新型治疗手段。

图5 鼠尾草酸通过打开KCNQ3/5通道降低GPe^PV细胞兴奋性

图6 鼠尾草酸在GPe中通过KCNQ3/5降低了可卡因CPP和运动敏化

在该研究中，为了评估药物诱导的奖励效应，研究人员设置了一组条件性位置偏好（CPP）实验，实验在两个具有不同墙面背景的隔间中进行。第一天，小鼠被放置在右侧隔间，自由探索两个隔间30分钟（预试验）。第二天，小鼠被用生理盐水调节至其在预试验中花费时间更多的隔间；第三天，用可卡因（15 mg/kg）调节至花费时间更少的隔间。第四天，小鼠再次被放置在右侧隔间，自由探索（后试验）。在使用hM4Di和YFP对照时，在生理盐水和可卡因配对开始前30分钟注射5 mg/kg CNO。CPP评分为后试验中药物配对隔间的时间减去预试验中的时间。每个测试阶段的时间为30分钟，光遗传学实验除外（15分钟）；如果小鼠在CPP预试验中在一侧的时间少于600秒（光遗传学实验除外，因为测试较短），则会被排除在外。

这项研究揭示了苍白球外侧（GPe^PV）细胞在可卡因诱导的行为变化中的关键作用。研究发现，通过降低GPe^PV细胞的抑制性输入和增强其兴奋性输入，可卡因暴露会增加这些细胞的活动，从而促进奖励和敏化行为。进一步的实验表明，来自迷迭香的天然化合物鼠尾草酸可以通过激活KCNQ3/5通道，减少GPe^PV细胞的兴奋性，进而抑制可卡因诱导的奖励效应和敏化反应。未来可进一步深入探讨GPe^PV细胞在其他药物滥用中的作用，以及鼠尾草酸等化合物在临床应用中的潜力。这些发现为开发新型药物滥用治疗策略提供了科学依据，特别是通过靶向特定神经回路来减少副作用并提高戒瘾的治疗效果。

原文地址

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00540-3?uuid=uuid%3Adcfcf9e6-64cd-4482-b66b-441f7e35eba3

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