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【Science】重磅!Kay Tye研究组首次揭示强迫性酗酒的发生机制

时间:2019-11-28 热度: 分享到:

2017年,全美药物使用和健康调查显示,超过80%的成年人接触过酒精,但其中只有不到30%人会发生酒精使用障碍(AUD)[1]。AUD的重要特征之一便是强迫性酗酒行为,即面对厌恶性刺激依然执着于饮酒的强迫行为[2, 3]。笔者推测,“斗酒诗百篇”的诗仙李白很可能为重度强迫性酗酒患者。

图片来源:Inquirer.com

从古至今,饮酒者不可胜数。那么,同样是接触酒精,缘何不同个体的表现差异如此之大呢? 对此,科学界至今仍未知晓其中的奥秘。大量研究以啮齿类动物作为模型探究饮酒行为的神经机制,在一定程度上取得了突破[4-6]。但是,这些工作仅仅针对动物长期饮酒后的一个时间节点,而忽略了动物的个体差异以及强迫性酗酒的发生过程中动物神经网络的变化过程。

2019年11月22日,《Science》杂志在线刊登了麻省理工大学Kay M. Tye研究组的最新重要工作[7],他们巧妙地设计了新型实验范式,发现皮层-脑干环路编码厌恶性信息并与强迫性酗酒的发生密切相关。这项研究首次揭示调控强迫性酗酒发生的脑区及其环路机制,极大提高了人们在酒精成瘾、强迫行为领域的认知。

Kay M. Tye, PhD

结果 1.不同小鼠的酒精易感性具有差异

首先,为探究小鼠个体之间酒精易感性的异同,作者建立狂饮诱导强迫性酗酒范式(BICT)。第1-3天,条件性刺激(CS )后给予小鼠酒精(15%),第4-5天,CS 后给予小鼠掺杂苦味剂奎宁(一种厌恶性刺激)的酒精,此阶段为狂饮前阶段;第6-19天,小鼠每天在0、2或4小时内无限制引用水或酒精,此阶段为狂饮中阶段;第20-26天,小鼠回到狂饮前阶段的条件性场景,前3天CS 后给予小鼠酒精,后4天CS 后给予小鼠掺杂奎宁的酒精,此阶段为狂饮后阶段(图1A)。

BICT可提供两项与AUD诊断标准相关的行为学指标:饮酒量和存在厌恶性刺激的饮酒量。作者发现,不同小鼠个体之间的酒精易感性差异甚大,他们将其分为三类:低饮酒鼠、高饮酒鼠与强迫性酗酒鼠。其中,低饮酒鼠在任何条件下均很少饮酒;高饮酒鼠饮酒量很高,但对厌恶性刺激十分敏感;强迫性酗酒鼠饮酒量很高且对厌恶性刺激的抗性极强(图1B-D)。他们还发现,在BICT训练之前,三种小鼠的饮酒量几无差异,只是强迫性酗酒鼠对厌恶性刺激的抗性显著高于其它小鼠(图1E, G);而在BICT训练以后,低饮酒鼠的饮酒量更低,强迫性酗酒鼠的对厌恶性刺激的抗性更高(图1F, H)。

图1  新型实验范式BICT检测小鼠的酒精易感性 2.初饮时mPFC-dPAG神经元活性可预知小鼠的酒精易感性

过去研究表明,投射到背侧导水管周围灰质(dPAG)的mPFC(mPFC-dPAG)神经元编码厌恶情绪,且PAG参与机体对厌恶性刺激的反应以及酒精戒断诱导的厌恶性状态[8, 9]。于是作者推测,mPFC-dPAG神经元活性与小鼠的酒精易感性密切相关。

为验证此推测,作者引入钙成像方法[10]。他们在小鼠的dPAG注射CAV2-Cre,在mPFC注射AAV-DIO-GCaMP6m,通过梯度折射率透镜与显微内窥镜检测mPFC-dPAG神经元的钙信号变化(图2A-C)。他们采用分层聚类方法将352个mPFC-dPAG神经元进行聚类,并将其分为8个集群(图2D-E)。他们发现,初次接触酒精时,强迫性酗酒鼠中更高比率的mPFC-dPAG神经元被抑制;而饮酒时,低饮酒鼠的mPFC-dPAG神经元表现出更高的激活水平(图2F-H)。他们还发现,初次接触酒精时,小鼠被激活或抑制的mPFC-dPAG神经元的占比与小鼠的饮酒量之间在狂饮后阶段呈负相关,而在其它两个阶段无相关性(图2I-K)。

以上结果提示,mPFC-dPAG环路在适度饮酒到强迫性酗酒的转化过程中扮演重要角色,且初次接触酒精时mPFC-dPAG神经元活性越高,小鼠越难以发生强迫性酗酒症状。

图2  初饮时mPFC-dPAG神经元活性可预知小鼠的酒精易感性 3.抑制mPFC-dPAG环路诱发强迫性酗酒行为

接下来,为进一步探究mPFC-dPAG环路的功能,作者使用光遗传操控神经元手段。他们在小鼠的mPFC注射AAV-CaMKIIα-NpHR,在dPAG植入光纤,以实时位置偏好范式检测小鼠的偏好性行为(图3A-B)。他们发现,给予黄光抑制mPFC-dPAG环路,小鼠显著倾向于黄光一侧,而小鼠运动能力无明显变化(图3B-C)。他们还发现,光抑制mPFC-dPAG环路后,小鼠对掺奎宁酒精的摄入量显著增加,而摄水量不变(图3D-G)。此外,若在酒精出水管前给予足底电击刺激,抑制mPFC-dPAG环路后小鼠摄酒量显著增加;而在无足底电击条件下,抑制mPFC-dPAG环路后小鼠摄酒量不变(图3H-K)。

 

以上结果表明,mPFC-dPAG环路传递厌恶性信号。因此,抑制此环路后,小鼠对厌恶性刺激的抗性显著增加,从而发生强迫性酗酒现象。

图3  抑制mPFC-dPAG环路诱发强迫性酗酒行为 4.激活mPFC-dPAG神经元抑制强迫性酗酒的发生

最后,为探究mPFC-dPAG神经元所编码的功能,作者再次使用光遗传学方法。他们在小鼠dPAG注射CAV2-Cre,在mPFC注射AAV-DIO-ChR2并植入光纤(图4A)。他们发现,光激活mPFC-dPAG神经元诱发小鼠躲避行为而不影响其运动能力(图4B-C)。他们还发现,光激活mPFC-dPAG神经元显著减少小鼠摄酒量而不影响其摄水量,此效应具有持久性(图4E-I),表明mPFC-dPAG神经元编码厌恶性信号,引起小鼠产生躲避行为,进而抑制强迫性酗酒的发生。

图4  激活mPFC-dPAG神经元抑制强迫性酗酒的发生
总结

调查显示,多数人接触过酒精,但其中只有小部分人会发生强迫性酗酒现象。对于强迫性酗酒发生的诱因,我们知之甚少。本篇文章结合实验范式设计、钙成像、光遗传学等方法,发现mPFC-dPAG环路与酒精强迫性密切相关。在小鼠初次饮酒时,其mPFC-dPAG神经元的活性可表征小鼠对酒精的易感性。此外,抑制mPFC-dPAG环路诱发小鼠发生强迫性酗酒行为,而激活mPFC-dPAG神经元显著减少小鼠饮酒行为。这项研究阐释了调控强迫性酗酒发生的脑区及其神经环路机制,为酒精易感性的个体差异提供了一种可能的科学解释,也为临床治疗强迫性酗酒相关疾病提供理论基础。
和元上海一直关注神经科学领域的重大研究进展,为神经生理、病理研究提供最新工具和研究方案,助力临床转化和基因治疗!

参考文献
1.Grant, B.F., et al., Epidemiology of DSM-5 Alcohol Use Disorder: Results From the National Epidemiologic Survey on Alcohol and Related Conditions III. JAMA Psychiatry, 2015. 72(8): p. 757-66.
2.Hopf, F.W. and H.M. Lesscher, Rodent models for compulsive alcohol intake. Alcohol, 2014. 48(3): p. 253-64.
3.Vanderschuren, L.J. and B.J. Everitt, Drug seeking becomes compulsive after prolonged cocaine self-administration. Science, 2004. 305(5686): p. 1017-9.
4.Seif, T., et al., Cortical activation of accumbens hyperpolarization-active NMDARs mediates aversion-resistant alcohol intake. Nat Neurosci, 2013. 16(8): p. 1094-100.
5.Giuliano, C., et al., Evidence for a Long-Lasting Compulsive Alcohol Seeking Phenotype in Rats. Neuropsychopharmacology, 2018. 43(4): p. 728-738.
6.Goltseker, K., F.W. Hopf, and S. Barak, Advances in behavioral animal models of alcohol use disorder. Alcohol, 2019. 74: p. 73-82.
7.Siciliano, C.A., et al., A cortical-brainstem circuit predicts and governs compulsive alcohol drinking. Science, 2019. 366(6468): p. 1008-1012.
8.Vander Weele, C.M., et al., Dopamine enhances signal-to-noise ratio in cortical-brainstem encoding of aversive stimuli. Nature, 2018. 563(7731): p. 397-401.
9.Avegno, E.M., et al., Central Amygdala Circuits Mediate Hyperalgesia in Alcohol-Dependent Rats. J Neurosci, 2018. 38(36): p. 7761-7773.
10.Siciliano, C.A. and K.M. Tye, Leveraging calcium imaging to illuminate circuit dysfunction in addiction. Alcohol, 2019. 74: p. 47-63.

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