Sci Adv丨揭示穹窿下器官如何对抗炎症引起的焦虑

脑声常谈

2024-12-05 10:55发布于上海科普领域创作者

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外周感染会激活免疫系统并引发各种炎症反应，这对抵抗病原体至关重要，然而外周炎症也会影响中枢神经系统，导致包括疾病行为和精神障碍在内的脑部疾病。一项全国队列研究表明任何感染住院史都会使精神障碍风险增加62%，这一结果造成了沉重的医疗和社会负担。已有大量临床的证据表明败血症和肝炎等外周感染会显著增加精神障碍的易感性；此外，有研究发现静脉注射脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）会在3小时内导致健康个体出现负面情绪和焦虑症状。外周免疫信号可能通过三种主要机制进入大脑：激活血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）上的细胞因子转运蛋白、激活迷走神经等初级传入神经、以及通过缺乏BBB的脑室周围器官（circumventricular organs, CVOs）进入大脑。BBB保护大脑免受循环毒素和病原体的侵害，但功能失调的BBB会增加焦虑和抑郁的易感性。迷走神经传入纤维可被外周细胞因子激活，将免疫信号传递到大脑，而迷走神经刺激被指出可用于治疗焦虑和抑郁。然而，关于CVOs、焦虑和抑郁之间的关联知之甚少。位于第三和第四脑室周围的CVOs缺乏BBB，可分为分泌性和感觉性CVOs，其中感觉性CVOs通过激活Toll样受体响应循环免疫信号，包括穹窿下器官（subfornical organ, SFO）、终板血管器官（organum vasculosum of the lamina terminalis, OVLT）和脑极后区（area postrema, AP）。有研究指出LPS处理后感觉性CVOs显著激活以感知和响应循环免疫信号，且感觉性CVOs参与情绪调节，例如SFO和OVLT可分别调节酸中毒和CO2引发的恐惧以及高渗钠触发的恐慌障碍。然而，感觉性CVOs与炎症引起的焦虑和抑郁之间的关系仍不清楚。

复旦大学脑科学研究院/脑功能与脑疾病全国重点实验室肖雷团队和复旦大学附属中山医院麻醉科钟静团队合作发现了LPS处理后穹窿下器官（SFO）神经元的激活现象。研究表明，操控SFO神经元可以双向调节LPS引起的小鼠焦虑样行为。通过神经回路追踪和化学遗传学技术，他们揭示了SFO通过其到终纹床核（BNST）的谷氨酸能投射发挥抗焦虑作用。这项研究成果发表在Science Advances期刊上，题为“Projections from subfornical organ to bed nucleus of the stria terminalis modulate inflammation-induced anxiety-like behaviors in mice”。

图源 Science Advances

外周注射LPS可以显著激活免疫系统并引发炎症反应，因此常用于研究炎症与焦虑或抑郁的关系。研究人员利用外周注射LPS的方法，首先评估了8周龄雄性小鼠的焦虑和抑郁样行为，使用了开放场实验（open field test, OFT）、高架十字迷宫实验（elevated plus maze, EPM）和尾悬吊实验（tail suspension test, TST）。通过腹腔注射不同剂量的LPS（0.5 mg/kg和1 mg/kg），发现LPS处理后小鼠体重显著下降。在OFT实验中，LPS处理的小鼠在中心区域停留时间减少，总活动距离降低；在EPM实验中，观察到LPS处理的小鼠在开放臂的停留时间和进入次数减少，表明LPS诱导了焦虑样行为。然而，在TST实验中，各组小鼠的不动时间无显著差异，表明LPS未诱导抑郁样行为。进一步测量小鼠的体温、进食和活动量，发现LPS处理的小鼠体温与对照组相似，但进食和活动量减少。研究还评估了LPS处理对感觉性CVOs的影响，发现LPS处理后，SFO和OVLT的炎症因子TNF-α和IL-1β水平显著增加，cFos表达也显著上升，表明LPS诱导了SFO和OVLT的炎症反应和神经元活动。这些结果表明，LPS处理诱导了小鼠的焦虑样和疾病行为，并在时间依赖性上促进了SFO和OVLT的炎症反应和神经元活动。

图1 LPS对小鼠行为和神经元活性的影响

为了确定SFO和OVLT神经元在LPS诱导的焦虑样和疾病行为中的作用，研究人员分别操控了这些神经元。首先，通过注射腺相关病毒（AAV）-TetTox阻断SFO神经元的突触传递，发现阻断SFO神经元的突触传递会加重LPS诱导的小鼠焦虑样行为。接着使用化学遗传学方法，通过注射AAV-hM4Di抑制SFO神经元，结果显示在LPS处理的小鼠中，抑制SFO神经元显著减少了小鼠在开放场中心区域的停留时间，并减少了在高架十字迷宫开放臂的进入次数，进一步证实了SFO在LPS诱导的焦虑样行为中的作用。研究人员还探讨了SFO神经元是否调节LPS诱导的疾病行为。结果显示，在LPS处理后6小时和24小时，抑制SFO神经元对小鼠的体温和活动量没有显著影响，表明SFO神经元不影响LPS诱导的疾病行为。为了研究SFO是否参与非炎症诱导的焦虑样行为，研究人员使用电击诱导小鼠焦虑样行为。结果显示，电击处理后SFO的cFos表达与对照组无显著差异，阻断SFO神经元的突触传递也不影响电击诱导的焦虑样行为。因此，SFO神经元特异性参与炎症状态下小鼠焦虑样行为的调节。

图2 抑制SFO神经元加剧了LPS诱导的小鼠焦虑样行为

鉴于抑制SFO神经元会加重LPS诱导的焦虑样行为，研究人员假设激活SFO神经元可能会缓解这些行为。他们通过注射AAV-hM3Dq激活SFO神经元，发现激活SFO神经元显著增加了LPS处理后小鼠在开放场中心区域的停留时间和总活动距离，但对高架十字迷宫（EPM）测试表现无显著影响。此外，激活SFO神经元对LPS处理后的小鼠疾病行为（如体温和进食）没有影响。SFO向多个脑区投射，包括终板血管器官（OVLT）、中前视核、室旁核（paraventricular nucleus, PVN）、终纹床核（BNST）和视上核，以平衡体液稳态。为了找到可能调节LPS诱导的焦虑样行为的SFO神经回路，研究人员注射AAV-EGFP以检测SFO神经元轴突在焦虑相关脑区的投射，发现SFO神经元的荧光神经末梢在PVN和BNST中被检测到。进一步研究表明，LPS处理后PVN和BNST的cFos表达显著增加，而其他情绪相关脑区如基底外侧杏仁核（BLA）和扣带回（Cg）的cFos表达无显著变化。这些结果表明，PVN和BNST不仅接收SFO的投射，且在LPS处理后显著激活，因此SFO可能通过投射到PVN和BNST来调节焦虑样行为。

图3 激活SFO神经元减轻了小鼠LPS诱导的焦虑样行为

图4 SFO的可能下游大脑区域调节小鼠LPS诱导的焦虑样行为

为了验证室旁核（PVN）和终纹床核（BNST）是否是穹窿下器官（SFO）的下游并参与LPS诱导的焦虑样行为，研究人员分别操控了投射到PVN和BNST的SFO神经元。通过注射Cre重组酶依赖的AAV-TetTox阻断投射到PVN的SFO神经元的突触传递，结果显示无论是盐水（SAL）处理还是LPS处理，阻断这些神经元的突触传递对小鼠的焦虑样行为没有影响。接着，研究人员使用相同的方法操控投射到BNST的SFO神经元，发现阻断这些神经元的突触传递在LPS处理的小鼠中显著减少了中心区域的停留时间和开放臂的探索时间，表明BNST投射的SFO神经元在调节LPS诱导的焦虑样行为中起作用。

图5 阻塞BNST的SFO神经元的突触传播加剧了LPS诱导的小鼠焦虑样行为

图6 BNST的SFO神经元的化学发生操纵双向调节小鼠LPS诱导的焦虑样行为

进一步使用化学遗传学方法操控BNST投射的SFO神经元，结果显示抑制这些神经元在LPS处理的小鼠中加重了焦虑样行为，而激活这些神经元则减轻了焦虑样行为。此外，研究人员还通过逆行病毒标记和原位荧光杂交实验确定了投射到BNST的SFO神经元主要是谷氨酸能神经元。体外电生理记录显示，激活SFO谷氨酸能投射会兴奋BNST神经元，表明SFO通过其谷氨酸能投射调节BNST神经元的活动，从而影响焦虑样行为。

图7 SFO将谷氨酸能预测发送给BNST的GABA能神经元

穹窿下器官（SFO）神经元在应对外周炎症引起的焦虑样行为中起着重要作用。研究人员通过化学遗传学和神经回路追踪技术发现，激活SFO神经元可以减轻LPS诱导的小鼠焦虑样行为，而抑制这些神经元则会加重焦虑样行为。SFO通过其谷氨酸能投射到终纹床核（BNST）来调节这些行为。此外，SFO神经元的谷氨酸能信号主要投射到BNST中的GABA能神经元，并影响其活动。这些发现为理解炎症与焦虑之间的关系提供了新的视角，并为开发针对炎症引起的精神障碍的治疗方法提供了潜在的靶点。后续研究可以进一步探索SFO和BNST之间的具体信号机制，以及其他可能参与调节炎症引起的焦虑和抑郁的脑区。这将有助于开发更有效的治疗策略，减轻炎症相关的精神健康问题。

示意图：SFO在LPS引起的焦虑样行为中的作用和潜在机制

原文地址

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9413

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