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行业快讯

【Nature】新知:海马-伏隔核突触传递可塑性调控奖赏行为

时间:2018-12-06 热度: 分享到:


上周的文章中我们提到,每个正常生物都有趋利避害的本能,会自然地选择适合自己的环境,本文重点讲述“趋利”这一部分。奖赏性刺激指引我们获取更多食物、趋向更好环境,其相对应的大脑调控机制也十分重要。“瘾君子”的奖赏性脑区会过度激活,而抑郁症患者则会有“快感缺失”(anhedonia)症状。

过去的研究表明,海马脑区存在部分奖赏相关神经亚群[1],参与奖赏性行为。海马可投射到伏隔核脑区,可卡因刺激会增强此二脑区之间的突触连接。然而,海马-伏隔核之间的突触可塑性鲜有研究,其可塑性的功能探究方面更是一片空白。

在神经科学中,突触可塑性(Synaptic plasticity)是指神经细胞间的连接——突触强度可调节的特性,突触的形态和功能会随着自身活动的加强与减弱相应得到持久性的加强与减弱。根据变化的不同,突触可塑性包含短期突触可塑性与长期突触可塑性。短期突触可塑性包括易化、抑制、增强。长期突触可塑性主要表现形式为长时程增强(Long-term potentiation,LTP)和长时程抑制(Long-term depression,LTD)。

长时程增强LTP

2018年11月26日,《Nature》杂志在线刊登了马里兰大学医学院S. Thompson研究组的最新重要工作[2],他们发现高频刺激可诱导海马-伏隔核之间突触的LTP,此二脑区之间LTP诱发奖赏性行为并与抑郁小鼠的“快感缺失”密切相关。本篇文章首次揭示海马-伏隔核之间突触LTP的功能,极大提高了人们对奖赏性神经环路领域的认知。

S. Thompson教授

结果

11.海马-伏隔核之间突触的长时程增强效应1.海马-伏隔核之间突触的长时程增强效应海马-伏隔核之间突触的长时程增强效应

1.海马-伏隔核之间突触的长时程增强效应

首先,使用全细胞膜片钳技术,作者记录伏隔核脑区中表达多巴胺1型受体(D1R)或多巴胺2型受体(D2R)的中型棘突神经元(MSN),后文称之为D1R-MSN与D2R-MSN。接着,作者电刺激穹窿以激活海马-伏隔核的兴奋性投射,发现D1R-MSN与D2R-MSN均可被高频刺激诱发LTP,海马注射AAV-ChR2的高频光刺激效应与之相仿(图1a-i),表明电刺激穹窿并未激活其它脑区到伏隔核的兴奋性投射。

药理学方面,给予NMDA受体拮抗剂AP5、钙离子络合物BAPTA或钙调蛋白激酶抑制剂KN62可阻断上述LTP效应(图1j-l)。为研究多巴胺是否参与此LTP的形成,作者给予D1R拮抗剂SCH 23390与D1R下游信号分子PKA的阻断剂Rp-cAMP,发现并不影响LTP的形成,表明多巴胺并不参与海马-伏隔核突触之间LTP的形成。

图1 海马-伏隔核之间突触的LTP效应

2.在体高频刺激海马-伏隔核投射诱发奖赏性行为

2.在体高频刺激海马-伏隔核投射诱发奖赏性行为

在了解高频刺激可诱发海马-伏隔核LTP之后,作者就其在体功能展开研究。他们在小鼠海马注射AAV-ChR2,在伏隔核双侧植入光纤,发现高频刺激诱导的海马-伏隔核LTP(图2e-g)可诱发小鼠产生条件位置偏好,而低频刺激无此现象(图2a-d)。

为进一步研究海马-伏隔核环路功能,作者在小鼠海马注射AAV-NpHR,在伏隔核双侧植入光纤,并以社交行为条件位置偏好作为行为学范式。通常情况下,小鼠偏向于有另一小鼠的一侧(社交偏向),而光抑制海马-伏隔核环路后,此偏向行为消失,但小鼠与另一小鼠之间的社交时间不变(图2h-j)。此结果表明海马-伏隔核环路参与奖赏性场景的识别,而与奖赏的产生无关。


图2 在体高频刺激海马-伏隔核投射诱发奖赏性行为

3.慢性压力减弱海马到伏隔核D1R-MSN的兴奋性投射

3.慢性压力减弱海马到伏隔核D1R-MSN的兴奋性投射

过去的研究表明,慢性压力会导致抑郁,其中现象之一便是“快感缺失”[3],本文以糖水偏好范式作为行为学表征(图3a)。膜片钳电生理研究发现,慢性压力处理的小鼠,D1R-MSN的AMPA:NMDA幅度比值下降,标志着突触强度的下降。此外,高频刺激不再诱发D1R-MSN产生LTP。而D2R-MSN无任何影响,既可诱发LTP,其AMPA:NMDA幅度比值也不变(图3b-g)。在体实验方面,慢性压力处理的小鼠,高频刺激海马-伏隔核环路不再诱发条件位置偏好现象(图3h)。


图3 慢性压力减弱海马-伏隔核D1R-MSN的兴奋性投射

4.抗抑郁治疗可改善慢性压力诱发的突触强度弱化现象

4.抗 抑郁治疗可改善慢性压力诱发的突触强度弱化现象

上文讲到,海马-伏隔核D1R-MSN的兴奋性投射弱化是抑郁小鼠的生理变化之一,那么,抗抑郁药物是否能够重新恢复海马到伏隔核的投射强度,从而治疗“快感缺失”症状呢?作者就此展开研究。

首先,作者使用抗抑郁药物—氟西汀作用于慢性压力处理后的小鼠,发现这些小鼠不再“快感缺失”,高频刺激海马-伏隔核环路也可诱发条件位置偏好现象(图4a-b)。电生理方面,伏隔核D1R-MSN的AMPA:NMDA幅度比值恢复至正常水平,高频刺激也可诱导正常水平LTP(图4c-g)。这些结果表明,抗抑郁药物氟西汀可改善上文内容中慢性压力诱发的突触强度弱化现象。

图4 抗抑郁治疗可改善慢性压力诱发的突触强度弱化现象

总结

趋利避害是大千万物的生存法则,每个正常生物都有趋利避害的本能。海马与伏隔核均为调控“趋利”行为的重要脑区,但海马-伏隔核投射是否存在突触可塑性,以及其可塑性的功能,我们尚未可知。本篇文章结合光遗传、膜片钳电生理、行为学等方法,首次发现海马-伏隔核突触的LTP参与奖赏性行为,抑郁模型小鼠海马-伏隔核D1R-MSN不再产生LTP,而抗抑郁药物处理可恢复上述环路产生LTP的能力。这项研究极大提高了我们在海马-伏隔核环路领域的认知,揭示了海马-伏隔核突触可塑性的功能,让我们更好的趋利避害!


参考文献

1.Gauthier, J.L. and D.W. Tank, A Dedicated Population for Reward Coding in the Hippocampus. Neuron, 2018. 99(1): p. 179- .

2.LeGates, T.A., et al., Reward behaviour is regulated by the strength of hippocampus–nucleus accumbens synapses. Nature, 2018.

3.Lim, B.K., et al., Anhedonia requires MC4R-mediated synaptic adaptations in nucleus accumbens. Nature, 2012. 487(7406): p. 183-U64.


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