Nat Neurosci丨自主调控呼吸改善焦虑情绪？Sung Han团队揭示呼吸改善焦虑的神经机制

脑声常谈

2024-11-22 08:40发布于上海科普领域创作者

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呼吸受到行为和情绪的深刻影响。人在紧张、焦虑时往往会出现呼吸加快现象，而此时人们常常通过深呼吸来缓解紧张焦虑等负面情绪，这也成为人们调节情绪的重要手段之一，但是呼吸频率如何影响情绪的神经机制仍未可知。

2024年11月19日，美国索尔克生物研究所Sung Han研究团队，在Nature neuroscience 杂志发表题为《A top-down slow breathing circuit that alleviates negative affect in mice》的文章，团队发现背侧前扣带皮层（dACC）中的神经元投射到脑桥网状核尾部（PnC）并起到调控呼吸频率的作用，dACC→PnC神经元的光遗传学激活减慢了呼吸并减轻了与负面情绪相关的行为，此外，PnC 内接收来自 dACC 神经元的直接输入的 GABA 能抑制神经元通过投射到脑桥延髓呼吸中心来降低呼吸频率。

解析减慢呼吸的自上而下的神经元回路

为了寻找可能将自上而下的皮层输入传递到脑干呼吸中心的环路，作者设定三个条件：1）接收来自前额叶皮层的输入，2）投射到脑桥延髓呼吸中心，3）富含抑制细胞类型的标志物（用于呼吸的抑制性调节）。通过以上条件筛选，作者确定了脑桥网状核尾核（PnC）为符合条件的目标核团。随后，作者使用霍乱毒素B（CTB）进行逆行追踪，在前额叶区域显示 CTB 标记的神经元。大多数标记细胞位于背侧前扣带皮层（dACC）和次级运动皮层，而在其他前额叶亚区仅发现 6.96% 和 0.26%。

为了研究 dACC→PnC 神经元在呼吸控制中的作用，作者使用工具病毒特异激活dACC→PnC神经元同时记录小鼠呼吸频率变化。为了消除运动对呼吸的混杂影响，这些小鼠被麻醉并放置在立体定位框架中，并使用感应体积描记法监测呼吸。轻度麻醉下的基线呼吸频率为 ~200 次/分钟。dACC→PnC 神经元的光激活显着使 ChR2 组的呼吸频率平均低于 170 BPM。

作者根据Allen Mouse Brain Atlas预测 dACC 神经元靶向 PnC 中的 GABA 能抑制神经元，同时病毒顺行标记的结果也说明了dACC 神经元主要投射到 PnC 中的抑制性神经元。接下来作者分别使用AAV-DIO-ChR2-eYFP、AAV-DIO-eNpHR3.0病毒激活或抑制这群GABA能神经元，ChR2 组都观察到呼吸频率显着降低，相反，当通过 eNpHR3.0 光抑制 PnC^GABA 神经元时，观察到呼吸频率增加，而对照组没有变化。这些数据表明 PnC^GABA 神经元是呼吸节律的抑制调节因子，它们的激活会减慢呼吸。因此，从前额叶区域（dACC/M2）到 PnC 的输入包括一个自上而下的调制回路，可诱导缓慢呼吸。

神经元活动与目的行为期间的呼吸变化相关

呼吸可以由行为控制。特别是，需要口咽活动和气道保护的行为会扰乱或夹带呼吸周期。为了探究这些行为是否会影响dACC→PnC环路的神经活动，作者分别监测小鼠呼吸节律与该环路神经元的钙活性变化。作者发现，小鼠在自主饮水时，呼吸减慢，dACC→PnC 神经元被激活，同时下游PnC^GABA 神经元活性也显着增加。

随后，作者分别检测了游泳以及嗅闻行为中dACC→PnC神经元活性变化，均表明呼吸加快时，dACC→PnC 神经元活动降低，呼吸减慢时，dACC→PnC 神经元活动增加。

dACC→PnC 活性与情绪诱发的呼吸变化相关

过度换气和呼吸急促是人类焦虑和恐慌症的突出症状，而长而缓慢的呼吸或正念技能可以帮助缓解焦虑。接下来，作者研究了dACC→PnC 神经元如何对引发焦虑的环境做出反应，以及这些反应如何与行为和呼吸模式相关。作者记录了钙反应和呼吸，同时将小鼠放置在高架十字迷宫。与闭臂时相比，所有测试的小鼠在暴露区域（中心或张开手臂）时呼吸频率增加。作者观察到 “逃脱” 事件后缓慢的呼吸周期–当鼠标从暴露区域移动到闭合臂时。在这些逃逸事件期间还观察到 dACC→PnC 活性的增加，揭示了缓慢呼吸周期与 dACC→PnC 神经元活动增加之间的相关性。

当小鼠未能到达张开手臂的末端，而是迅速返回中心时，观察到 dACC→PnC 活性显着降低相比之下，在小鼠完全探索开放臂的大多数事件中，神经元活动持续或逐渐增加。这些分析揭示了 dACC→PnC 神经元的反应与焦虑相关行为之间的相关性。

综上所述，这些实验表明 dACC→PnC 神经元活动与在引发焦虑的环境中呼吸和行为相关。具体来说，作者观察到逃逸事件期间 dACC→PnC 神经元活动的增加，这与以较长呼气为特征的缓慢呼吸周期相结合。dACC→PnC 活性在焦虑环境中（高架迷宫或高架平台的开臂）降低。然而，当小鼠克服焦虑条件并充分探索环境时，观察到持续的 dACC→PnC 活性增加，表明增加的 dACC→PnC 激活促进了焦虑的缓解。

dACC→PnC 环路可缓解焦虑样行为

为进一步探究dACC→PnC环路激活的生理意义，作者使用相同的病毒策略，通过ChR2激活双侧dACC→PnC 神经元。作者首先通过实时位置偏好实验RTPP验证了这种光刺激并不会引起小鼠偏好或厌恶效价的改变。接下来，这些小鼠在厌恶的环境中进行了测试，其中笼子的一侧与狐狸肛门生殖器气味（TMT）配对。小鼠躲避 TMT 气味，但在 ChR2 组中被 dACC→PnC 光刺激消除了这种躲避，但在对照组中没有。在探索与恐惧和焦虑相关的行为的其他测试中也看到了类似的结果，例如高架加迷宫测试。这些结果表明，dACC→PnC 神经元的激活减轻了对厌恶刺激的焦虑样反应，而不会改变效价。

作者接下来表征了 PnC^GABA 神经元的下游投射。作者在覆盖背外侧和腹外侧髓质（DLM 和 VLM）的广泛髓质结构中发现了 eYFP 标记的轴突，以及脑桥中臂旁核外核的壳，这些区域参与呼吸和节律性控制. 重要的是，在一些前脑区域也发现了 eYFP 标记的纤维，包括外侧缰绳（LHb）、室旁丘脑核（PVT）和终纹床核（BST），这些结构与恐惧和焦虑反应有关。因此，缓慢呼吸可能会通过 PnC^GABA 神经元的不同连接同时缓解焦虑和负面影响。

dACC→PnC环路协调呼吸和行为

为了确定 dACC→PnC 神经元是否协调呼吸和行为，作者抑制了 dACC→PnC 回路并评估了对呼吸周期和相关行为（即饮水和焦虑相关行为）的影响。在禁水后，没有光刺激时，实验组与对照组小鼠均成功饮水，而光抑制dACC→PnC 环路时，实验组小鼠饮水成功率显著降低，同时光抑制时实验组小鼠也表现出更短的呼吸周期。这些数据表明，需要 dACC→PnC 环路来协调缓慢的呼吸周期和自主饮水行为。

最后，为了探索 dACC→PnC 抑制对焦虑相关行为的影响，作者使用明暗穿梭箱范式，小鼠可以在明亮和黑暗区域之间自由移动。在光区，小鼠接受 590 nm 光刺激以抑制 dACC→PnC 末端。与对照组相比，eNpHR3.0 组的小鼠在明亮区花费的时间更少。与这种行为变化一致，eNpHR3.0 组在浅色区域时表现出较小比例的慢呼吸周期，表明需要 dACC→PnC 环路来诱导慢呼吸周期以缓解焦虑。综上所述，这些分析表明 dACC→PnC 回路对于协调慢呼吸的行为是必要的。

总结

本文揭示了一个前额叶回路，它投射到脑桥中的抑制神经元，而脑桥又广泛投射到脑桥和延髓中的呼吸中心。dACC→PnC 回路与下游 PnC^GABA 神经元一起，促进缓慢的呼吸周期，并对饮水等行为做出反应，从而产生缓慢/呼吸暂停的呼吸周期。综上所述，作者在这里报告了一种自上而下的大脑回路的发现，用于抑制呼吸以及呼吸和行为的协调。