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压力之下,前额叶的一道“刹车”为何松动?

Nature communications · 2023-11-30

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Nature Communications · 研究前沿

压力之下,前额叶的一道“刹车”为何松动?

雄性小鼠研究发现,屏状核对前额叶抑制性细胞的兴奋输入,为局部网络提供制动;强啡肽与κ阿片受体信号参与改变这条连接。

原论文图5C局部:PL内PV细胞的荧光共同标记

压力怎样让人失去与他人接触的兴趣?要理解这一问题,神经科学常把视线投向前额叶,但这里的细胞并不是齐步前进的:兴奋性细胞传递输出,抑制性细胞为网络提供约束,上游输入又会同时牵动两者。2023年11月30日发表于 Nature Communications 的研究,在雄性小鼠社会挫败应激模型中,追踪屏状核(CLA)至前边缘皮层(PL)的连接。研究发现,应激后这条兴奋性输入减弱,PL内一群PV抑制性细胞的活动下降,锥体细胞却更活跃。一个看似矛盾的结果,指向了“兴奋输入帮助制动”的局部网络逻辑。

关键发现

屏状核通过兴奋PL内PV细胞,参与前馈抑制与应激相关行为调节。强啡肽/KOR信号能够削弱这条输入;改变通路、PV细胞或投射细胞中的KOR,影响不同抑郁样行为指标。

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减弱这群细胞,行为也更容易受压力影响

屏状核是一片位置隐蔽、连接广泛的薄层结构。研究先从其以谷氨酸能细胞为主的标记群体入手:在较轻的社会挫败条件下,抑制这群细胞,小鼠的社会互动和蔗糖偏好下降,悬尾测试的不动时间增加。

相反,在慢性社会挫败后,增强屏状核细胞活动能够改善上述行为指标。两类干预中的运动距离都没有显著变化。屏状核活动与应激相关行为由此联系起来,而它究竟通过哪一处下游发挥影响,还需要沿着连接继续寻找。

原论文图 1屏状核活动与社会挫败相关行为
屏状核活动与社会挫败相关行为
图1展示屏状核标记细胞双向干预后的社会互动、蔗糖偏好与悬尾表现;运动距离未显著改变。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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同一片皮层里,活动方向并不相同

屏状核能够把兴奋信号送往PL。慢性社会挫败后,屏状核兴奋性细胞的活动标记与群体钙信号降低,PL中的PV抑制性细胞也呈现相似变化。可是,PL兴奋性细胞的活动标记和钙信号却升高。

这一方向差异提醒我们,脑区整体的“活跃”或“安静”很难概括细胞之间的协作。如果上游输入原本会招募抑制性细胞,那么这份兴奋输入的减弱,可能让下游锥体细胞失去约束。研究接下来围绕这一局部制动逻辑展开验证。

原论文图 2屏状核、PL兴奋性细胞与PV细胞的活动
屏状核、PL兴奋性细胞与PV细胞的活动
图2对照三类细胞的活动标记与群体钙信号,应激后的变化方向随细胞类型而不同。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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把连接活动提起来,小鼠更愿意接近同伴

增强屏状核在PL中的末梢活动后,慢性社会挫败小鼠的社会互动比例和蔗糖偏好提高,悬尾不动时间缩短。相反,在较轻的应激条件下抑制这条连接,会带来社会互动和蔗糖偏好的下降,以及不动时间增加。

运动距离在这些比较中没有显著变化,行为变化与单纯运动增减有所区分。更强的兴奋输入并未把整个PL简单推向“更兴奋”,它如何通过细胞之间的连接帮助调节局部网络,成为机制部分的核心。

原论文图 3屏状核至PL连接的双向行为效应
屏状核至PL连接的双向行为效应
图3展示增强或抑制屏状核至PL末梢活动后,社会互动、蔗糖偏好和悬尾指标的变化。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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兴奋信号,怎样招募一道抑制性的刹车?

PL中的PV细胞接收屏状核的直接兴奋性输入。屏状核信号抵达后,既能直接兴奋锥体细胞,也能通过招募局部抑制性细胞,给锥体细胞带来间接抑制。这种“先招募抑制,再约束输出”的安排,就是前馈抑制。

它让上游的兴奋信号兼具两种作用:传递信息,同时限制输出。应激时,屏状核输出与PV细胞活动的下降,和PL锥体细胞活动升高相互呼应。由此形成的解释,把两处脑区的变化连接成了一套细胞层面的网络逻辑。

原论文图 4直接兴奋与间接抑制并存
直接兴奋与间接抑制并存
图4提供连接追踪与突触电流证据:屏状核直接输入PV细胞和锥体细胞,并通过局部网络引出间接抑制。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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能否改善行为,还取决于这道刹车

当屏状核至PL连接被增强时,同时抑制PL的PV细胞,会削弱社会互动、蔗糖偏好和悬尾指标的改善。上游连接虽然被招募,局部抑制性环节的状态仍能改变最终行为结果。

从另一方向看,在屏状核至PL连接被抑制时,增强PV细胞活动能够改善社会互动和蔗糖偏好,悬尾不动时间则未显著改变。不同指标的响应有所区别,但这些互相配合的干预,把PV细胞放在了通路与行为之间的重要位置。

原论文图 5PV细胞与通路行为效应的联系
PV细胞与通路行为效应的联系
图5展示PV细胞干预如何改变通路的行为效应;下半部分悬尾指标未达显著差异。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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强啡肽与KOR,把输入的强弱进一步改写

慢性社会挫败后,PL中的强啡肽水平升高,κ阿片受体(KOR)的总蛋白水平没有显著变化。KOR激动条件下,屏状核输入引发的兴奋性电流减弱,成对脉冲比值升高,支持突触前释放受到调节;PV细胞上的作用更为明显。

在投射到PL的屏状核细胞中提高KOR表达,能够削弱通路增强带来的行为改善;降低这组细胞的KOR,又能缓解通路抑制带来的部分行为改变。受体改变覆盖的是投射定义的细胞群,而局部电流结果为它们在PL中的输入调节提供了功能线索。

这项雄性小鼠研究将社会压力、屏状核输入、局部抑制与强啡肽/KOR信号联系起来。前额叶的调节不仅关乎输出强弱,也取决于负责约束输出的细胞能否获得合适输入。相关细胞在不同性别、不同应激情境及人类疾病中的作用,以及怎样获得更持久而有针对性的干预效果,仍值得进一步探索。

原论文图 6强啡肽、KOR与投射细胞干预
强啡肽、KOR与投射细胞干预
图6展示强啡肽升高、KOR总蛋白未显著改变,以及投射细胞中KOR表达干预后的行为结果。
来源:Wang YJ et al. · Nature communications · CC BY
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论文信息

Wang YJ, Zan GY, Xu C, Li XP, Shu X, Yao SY, Xu XS, Qiu X, Chen Y, Jin K, Zhou QX, Ye JY, Wang Y, Xu L, Chen Z, Liu JG.
The claustrum-prelimbic cortex circuit through dynorphin/κ-opioid receptor signaling underlies depression-like behaviors associated with social stress etiology
Nature communications · 2023-11-30
DOI: 10.1038/s41467-023-43636-x