Sci Ad︱复旦大学肖雷/钟静团队揭示穹窿下器官神经元抵抗外周炎症诱导焦虑情绪的神经机制

学术   2024-11-29 00:01   上海  

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撰文张金琳

审阅肖雷,钟静

责编︱王思珍


外周感染激活机体免疫系统,引发各种炎症反应以抵抗病原体入侵。外周炎症也会影响中枢神经系统,诱发焦虑和抑郁等精神疾病。外周的炎症信号可以通过血脑屏障(BBB)、迷走神经和脑室周围器官CVOs)进入大脑[1]。其中,BBB和迷走神经已被证明参与调节炎症诱导的焦虑或抑郁,CVOs的作用尚未知[2,3]


CVOs位于第三和第四脑室周围,缺乏血脑屏障,可分为感觉性和分泌性CVOs [1]。其中,感觉性CVOs包括穹窿下器官(SFO)、终板血管器(OVLT)和极后区(AP),它们可以通过激活局部的Toll样受体以响应外周免疫信号[1]。研究发现,在LPS处理后,感觉性CVOs被显著激活,感知和响应循环中的免疫信号,从而调节疾病行为[4,5]。此外,部分研究报道感觉CVOs与情绪调节相关。例如,SFO参与调节酸中毒或二氧化碳等引起的恐惧[6,7]然而,尚无研究报道感觉性CVOs与外周炎症诱导的焦虑或抑郁之间的关系

近期,复旦大学肖雷/钟静团队团队在Science Advances发表了题为“Projections from subfornical organ to bed nucleus of the stria terminalis modulate inflammation-induced anxiety-like behaviors in mice”的科学研究,揭示了SFO神经元在抵抗外周炎症诱导的焦虑情绪中的作用和神经环路机制。本研究利用细菌脂多糖(LPS)腹腔注射诱导炎症小鼠模型,揭示了SFO在调节外周炎症诱导焦虑样行为中的作用。尽管LPS可显著激活SFOOVLT脑区的神经元,但只有操纵SFO神经元才能调节LPS诱导的焦虑样行为。激活或抑制SFO神经元分别减轻或加重LPS诱导的焦虑样行为。此外,SFO通过谷氨酸能投射至终纹床核(BNST)发挥这种作用。值得注意的是,操纵SFO神经元不会影响LPS诱导的疾病行为。因此,该研究揭示了SFO神经元在抵抗外周炎症诱导焦虑情绪中的积极作用。(拓展阅读:肖雷课题组相关研究进展,详见“逻辑神经科学”报道(点击阅读):Valery Grinevich/周嘉伟点评 Adv Sci|复旦大学肖雷团队揭示催产素在帕金森病中对多巴胺信号的保护作用和机制Prog Neurobiol︱复旦大学肖雷课题组揭示中脑多巴胺神经元调控进食行为的神经机制Stroke︱复旦大学宫晔/肖雷团队揭示催产素对脑出血后神经损伤的保护作用及机制Mol Psychiatry︱肖雷团队揭示VTA D1神经元对焦虑样行为的调控作用和环路机制


腹腔注射LPS会激活小鼠免疫系统并诱导炎症反应,常用于研究炎症与情绪障碍之间的关系[8,9]。作者利用旷场实验(OFT)、高架十字迷宫实验(EPM)和悬尾实验(TST)来评估小鼠的焦虑或抑郁水平(图1A。考虑到以往文献使用的LPS剂量差异,作者首先通过腹腔注射生理盐水(SAL)、0.5 mg/kg LPS1 mg/kg LPS,初步评估了不同剂量LPS对焦虑和抑郁样行为的影响(图1B-G。发现与对照组相比,LPS组小鼠造模后24 h体重显著降低(图1B,然而,只有1mg/kg LPS组小鼠在OFTEPM中均表现出焦虑样行为(图1C-F,两种剂量LPS均未能诱导小鼠抑郁样行为(图1G。因此,作者最后选定1 mg/kg LPS诱导小鼠焦虑样行为。既往文献表明,LPS处理后24 h小鼠疾病行为基本恢复,但会表现焦虑或抑郁样行为[8,9]。为了评估该研究中小鼠疾病行为水平,作者进一步测量了小鼠的体温、摄食和运动,结果发现LPS处理后24 h小鼠仍然存在疾病行为(图1H。之后作者分别利用qPCR和免疫荧光检测了LPS处理后SFOOVLT的炎症水平和cFos水平(代表神经元激活的细胞标记物),发现LPS处理可显著激活SFOOVLT的炎症水平和神经元,并且呈时间依赖性(图1I-L因此,这些结果表明LPS处理可诱导小鼠的焦虑样行为和疾病行为,并以时间依赖的方式激活SFOOVLT的炎症反应和神经元活动。

1 LPS处理对小鼠行为和SFOOVLT脑区的炎症水平和神经元活动的影响。


为了确定SFOOVLTLPS诱导的焦虑样行为和疾病行为中的作用,作者通过病毒注射的方法在SFOOVLT神经元中表达破伤风毒素轻链(TetTox,能够中断神经电信号传递)来阻断突触传递(图2A-B,结果发现阻断SFO神经元的突触传递会加剧炎症诱导的小鼠焦虑样行为(图2C-D,但阻断OVLT神经元突触传递不影响小鼠行为。为了进一步验证SFOLPS诱导的焦虑样行为中的作用,作者使用化学遗传学方法操纵SFO神经元,发现抑制SFO神经元加重LPS诱导的小鼠焦虑样行为(图2E-G,但不影响LPS诱导的疾病行为。最后,作者为了研究SFO是否参与调节非炎症诱导的焦虑样行为,利用足部电击诱导小鼠的焦虑样行为,发现阻断SFO神经元的突触传不影响足部电击诱导的小鼠焦虑行为。因此,SFO神经元参与调节外周炎症感染诱导的焦虑样行为。

2 抑制SFO神经元加重LPS诱导的小鼠焦虑样行为。


另外,作者又通过化学遗传学激活SFO神经元来进一步观察其在LPS诱导的小鼠焦虑样行为或疾病行为中的作用,发现激活SFO神经元减轻LPS诱导的小鼠焦虑样行为(图3,但依旧不影响LPS诱导的疾病行为。

3 激活SFO神经元减轻LPS诱导的小鼠焦虑样行为。


为了寻找SFO神经元调节LPS诱导焦虑样行为的可能下游脑区,作者通过顺向环路示踪技术发现SFO神经元可投射至下丘脑室旁核(PVN)和BNST,但在其他情绪相关脑区如内侧前额叶皮层(mPFC)、伏隔核(NAc)和基底外侧杏仁核(BLA)等未观察到SFO神经元的神经投射(图4A-C。之后作者利用免疫荧光进一步研究了LPS处理后的不同时间点PVNBNST神经元活动变化,发现LPS以时间依赖方式激活PVNBNST的神经元(图4D-G这些结果表明,PVNBNST不仅接受SFO的投射,而且在LPS处理后也被显著激活。

4 SFO参与调节LPS诱导的小鼠焦虑样行为的潜在下游脑区。


为了研究PVNBNST是否是SFO调节LPS诱导焦虑样行为的下游,作者分别操纵了投射到PVNBNSTSFO神经元来观察LPS诱导的焦虑样行为的变化(图5。作者通过将逆向表达Cre重组酶的病毒注射到双侧PVNBNST,并将Cre重组酶依赖的TetTox 病毒注射到SFO,阻断SFO-PVNSFO-BNST神经元的突触传递。结果发现,阻断SFO-PVN神经元突触传递不影响炎症诱导的小鼠焦虑样行为(图5A-C,但阻断SFO-BNST神经元突触传递加重炎症诱导的焦虑样行为(图5D-F

5 阻断SFO-BNST神经元的突触传递加重LPS诱导的小鼠焦虑样行为。


为了进一步阐明SFO-BNST神经元在LPS诱导的小鼠焦虑样行为中的作用,作者又利用化学遗传学方法来操纵SFO-BNST神经元。发现,与化学遗传学调控SFO神经元的结果一致,抑制SFO-BNST神经元加重LPS诱导的小鼠焦虑样行为(图6A-C,而激活SFO-BNST神经元改善LPS诱导的小鼠焦虑样行为(图6D-F这些发现证实,双向操纵SFO-BNST神经元可以调节LPS诱导的小鼠焦虑样行为。

化学遗传学操纵SFO-BNST神经元双向调节LPS诱导的小鼠焦虑样行为。


SFO包含谷氨酸能和GABA能神经元群[10]。为了确定哪种类型的SFO神经元投射到BNST,作者利用逆向环路示踪和原位荧光杂交等技术,发现大约90%SFO-BNST神经元与Vglut2 mRNA共定位,而少数呈Vgat mRNA阳性(9.39%(图7A-C。之后作者利用Vglut2-CreVgat-Cre小鼠研究了SFO谷氨酸能和GABA能神经元在BNST中的投射情况,结果发现主要是SFO谷氨酸能而不是GABA神经元投射到BNST,尤其是腹侧BNST(图7D-E。随后,作者通过体外电生理记录进一步研究了激活SFO谷氨酸能投射对BNST神经元活动的影响。发现,约44%BNST神经元被光刺激激活,约26%被抑制,约30%对光遗传刺激无反应(图7F-I。由于大多数BNST神经元是抑制性的(约86%),少数是兴奋性的(约14%[11]。为了确定接受SFO谷氨酸能投射的BNST神经元的细胞类型,作者通过AAV-DIO-WGA-FLP注射到SFO,并将AAV-fDIO-mCherry注射到Vglut2-Cre小鼠的双侧BNST,发现超过90%mCherry+的神经元与腹侧BNSTGABA+神经元共标记(图7J-K。同样,这些mCherry+ BNST神经元主要与Vgat mRNA共定位(图7J因此,SFO的谷氨酸能神经元投射至BNSTGABA能神经元。

7 SFO的谷氨酸能神经元投射到BNSTGABA 能神经元。


文章结论与讨论,启发与展望
本研究中揭示了激活SFO(一种感觉性CVO)在LPS诱导小鼠焦虑样行为中的抗焦虑作用,并探索了这种现象背后的神经环路机制。该研究结果表明,虽然SFOOVLT都能快速感知外周炎症,但是只有操纵SFO神经元才能双向调节LPS诱导的小鼠焦虑样行为,然而操纵SFO神经元不影响LPS诱导的疾病行为。此外,作者发现SFO神经元通过投射到BNST脑区来调控LPS诱导的焦虑样行为,并且揭示了SFO的谷氨酸能神经元投射到BNSTGABA能神经元。这些结果为炎症性焦虑的神经基础提供了新的见解,并强调了SFO-BNST神经元在处理由外周炎症引发的焦虑样反应中的重要作用。本研究的发现对开发有针对性的干预措施,调节特定的神经环路以减轻外周炎症相关的焦虑具有指导意义。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9413

复旦大学附属中山医院麻醉科钟静副教授和复旦大学脑科学研究院肖雷研究员为本文共同通讯作者,复旦大学附属中山医院麻醉科硕士生张金琳、复旦大学脑科学研究院博士研究生谢传同和复旦大学附属中山医院麻醉科硕士研究生徐佩姚为论文的共同第一作者,复旦大学脑科学研究院博士后仝秋平参与协助课题完成。复旦大学附属中山医院统计室吕敏之老师为本研究提供统计协助。该研究在国家自然科学基金、上海市医苑新星青年医学人才培养计划、上海市科技重大专项、医学名师培育项目等的资助和支持下完成。


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参考文献

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编辑︱王思珍
本文完

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