专题| 高天明团队和游自立团队等接连发文聚焦热点：胶质细胞在情绪发生中的重要作用
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01
星形胶质细胞、绝望行为
Neuroscience Bulletin在2021年第1期以封面文章发表了南方医科大学高天明教授团队题为“Astrocyte-Derived Lactate Modulates the Passive Coping Response to Behavioral Challenge in Male Mice”的原创研究论文，为我们理解产生“绝望“的神经调控机制提供了一个全新的角度。
研究团队试图解决大脑内部，尤其是调节情绪等高级功能的内侧前额叶皮层（Medial prefrontalcortex，mPFC）长期处在具有挑战性的压力环境下会发生怎样的变化？并且大脑是通过何种机制调节压力环境下的消极应对反应？以往对于这一问题的研究主要集中在神经环路水平，分子水平的机制尚不清楚。因此，研究团队试图深入到分子水平，对这一问题展开研究。大脑中主要有两大类细胞：神经元和神经胶质细胞。其中，星形胶质细胞是数目最多的一类神经胶质细胞。越来越多的研究表明，星形胶质细胞在调节突触传递、神经活动和环路功能上发挥了重要的作用。星形胶质细胞能够通过糖原分解和糖酵解产生乳酸并输送给神经元，而压力能够影响乳酸的形成。研究团队关注的第一个问题便是星形胶质细胞来源的乳酸是否能够调节压力环境下的消极应对反应？
该研究选取小鼠进行强迫游泳实验（Forced swimming test，FST）来模拟人类长期处在具有挑战性的压力环境下出现“绝望”的消极情绪应对。强迫游泳实验中的小鼠在刚放入游泳缸时，会激烈的挣扎，但当发现无法从游泳缸中逃出时，小鼠会间断性的漂浮在水面不动，这一状态与人在压力环境下无论如何努力都无法达到目标时所表现出的“绝望”很相近。
研究团队借助微透析技术获取了小鼠mPFC的脑脊液后进行了乳酸浓度的检测，FST过程中的小鼠，其mPFC脑区的乳酸水平与经历FST之前以及不经历FST的小鼠相比，明显升高（图1），提示mPFC的乳酸水平可能参与调节小鼠在压力环境下的消极应对反应。
图1 小鼠在经历FST时mPFC脑区的乳酸水平增加
接着，根据在大脑中糖原主要分布于星形胶质细胞中的特性，干扰糖原的分解能够间接抑制星形胶质细胞乳酸的生成。研究团队在小鼠mPFC脑区注射糖原磷酸化的抑制剂DAB后，分别检测了FST以及旷场实验，发现注射1000 μmol/L的DAB能够显著降低小鼠在FST中的“不动”时间，而不影响小鼠在旷场实验中的运动总距离，说明给予DAB不影响小鼠的基本运动能力。同时，外源添加L-lactate（乳酸的一种旋光异构体）能够逆转DAB所导致的小鼠在FST中“不动”时间的降低（图2），以上结果表明，mPFC星形胶质细胞的乳酸代谢调节小鼠的消极应对反应。
图2 DAB能够减少小鼠在FST中表现的消极应对反应，且这一现象能够被L-lactate所逆转
大脑中主要有三类乳酸转运体：MCT1、MCT2和MCT4，其中MCT4主要表达在星形胶质细胞上，通过干扰mPFC的MCT4表达。研究团队发现小鼠在FST中的“不动”时间减少，同时外源给与L-lactate能够逆转这一现象（图3），进一步表明mPFC星形胶质细胞来源的乳酸参与调节压力环境下的消极应对反应。
图3 干扰MCT4的表达能够减少小鼠在FST中表现的消极应对反应，且这一现象能够被L-lactate所逆转
进一步，研究团队对mPFC星形胶质细胞来源的乳酸参与调节压力环境下的消极应对反应的细胞机制展开了探究。以往的研究通过光遗传技术改变mPFC的神经元活动能够影响小鼠在FST中的表现，因此通过膜片钳技术，检测了mPFC脑区锥体神经元的兴奋性，干预星形胶质细胞的乳酸代谢以及MCT4的表达能够使神经元的兴奋性增加，且这一改变能够被外源添加的L-lactate所逆转，提示神经元兴奋性的改变可能是潜在的细胞机制。
参考文献：
Yin YN, Hu J, Wei YL, Li ZL, Luo ZC, Wang RQ, et al. Astrocyte-Derived Lactate Modulates the Passive Coping Response to Behavioral Challenge in Male Mice. Neurosci Bull 2021, 37: 1-14. DOI:10.1007/s12264-020-00553-z.
02
小胶质细胞、负性情绪
瑞典林雪平大学的研究人员于2021年01月20日在Immunity上面发文，研究纹状体小胶质细胞激活以及下游IL-6、前列腺素分子在负面情感以及炎症诱导的条件性位置厌恶中的作用。
1. 化学遗传学激活小胶质细胞诱导小鼠负面情感产生
图1 激活小胶质细胞诱导小鼠负面情感产生
利用小胶质细胞特异性Cre小鼠（Cx3cr1-creER），结合特定药物激活的受体DREADDs技术，在小胶质细胞中表达hM3Dq蛋白（化学遗传学兴奋性受体），后续在饮食中添加CNO可激活小胶质细胞中的hM3Dq蛋白，进而激活小胶质细胞。
研究者发现，激活纹状体脑区的小胶质细胞可上调IL-1、IL-6以及TNF-α等炎性分子表达，并且诱导小鼠产生条件性位置厌恶以及快感缺失（糖水偏好降低）。此外，通过化学遗传学手段以及米诺环素（小胶质细胞抑制剂）抑制小胶质细胞活性可阻断脂多糖（LPS）介导的炎症引起的厌恶行为。
2.小胶质细胞激活降低纹状体中型多棘神经元（medium spiny neurons，MSNs）兴奋性
为了与研究小胶质细胞对神经元功能的影响，作者在离体脑片中，通过灌流液中孵育CNO激活小胶质细胞，利用电流钳对MSNs进行电活动记录。激活小胶质细胞可减低MSNs放电频率，同时降低膜电阻，提示K+离子通道开放可能在其中发挥关键作用，作者也对动作电位波形、阈值、上升时间以及幅度进行分析，排除了Na+电流的影响。为了进一步证明K+电流的作用，作者通过对后超极化等指标进行进一步分析，发现延迟整流K+离子通道发挥主要作用。
图2 激活小胶质细胞降低纹状体中型多棘神经元的兴奋性
3. 小胶质细胞源性的IL-6信号参与炎症诱导的条件性位置厌恶
小胶质细胞激活可增加脑内IL-6表达，而IL-6参与抑郁症病理过程。为进一步研究IL-6是否参与炎症诱导的条件性位置厌恶行为，作者构建了IL-6全敲小鼠（IL6-/-）以及小胶质细胞特异性IL-6敲除小鼠（IL6-Cx3cr1creER），并发现无论是IL-6全敲或者小胶细胞特异性敲除，均可阻断LPS诱导的条件性位置厌恶行为，在神经元、脑内皮细胞中敲除IL-6对其无影响。
此外，在纹状体脑区直接注射IL-6可诱导小鼠条件性位置厌恶，而注射IL-6中和性抗体托珠单抗则可阻断LPS诱导的条件性位置厌恶行为。
图3 小胶质细胞IL-6信号转导与炎症引起的厌恶密切相关
4. 小胶质细胞源性的前列腺素合成和释放降低神经元兴奋性以及诱导厌恶行为产生
前面的研究结果证明小胶质细胞源性的IL-6参与小胶质细胞激活引起的厌恶行为，但是无法解释小胶质细胞激活对神经元兴奋性的影响，即介导小胶质细胞与MSNs相互作用还有其它信号分子参与。作者根据其课题组前期研究报道脑内前列腺素是炎症诱导的厌恶行为的重要调节因子，进而猜想前列腺素可能也参与了小胶质细胞激活诱导的厌恶行为。
作者首先通过免疫组化证明前列腺素合成酶COX-1在小鼠、恒河猴和人类小胶质细胞中均有高峰度的表达，即这种表达具有物种保守性。接着利用Cre-loxp系统，作者构建小胶质细胞特异性前列腺素合成酶COX-1敲除小鼠（Ptgs1-Cx3cr1creER），该转基因鼠可阻断炎症诱导的条件性位置厌恶行为。小胶质细胞合成释放前列腺素，又是如何作用于神经元呢？作者进一步发现前列腺素E2受体EP1和EP2在MSNs中均有表达，而 EP1/2受体特异性拮抗剂AH6809可进一步阻断小胶质细胞激活对MSNs兴奋性的影响。
图4 前列腺素E 2介导的小胶质细胞到神经元信号转导可引起厌恶以及中棘状神经元兴奋性的降低
5. 总结
本文证实活化的小胶质细胞通过IL-6和前列腺素介导诱导负性情感的状态。这表明了靶向IL-6受体或前列腺素信号传导的方法可能在炎症，神经和精神疾病中提供新的治疗途径，这些疾病与小胶质细胞激活以及情感和情绪变化密切相关。
参考文献：
Klawonn AM, Fritz M, Castany S, Pignatelli M, Canal C, Similä F, Tejeda HA, Levinsson J, Jaarola M, Jakobsson J, Hidalgo J, Heilig M, Bonci A, Engblom D. Microglial activation elicits a negative affective state through prostaglandin-mediated modulation of striatal neurons. Immunity. 2021 Jan 13:S1074-7613(20)30544-6.
03
星形胶质细胞、双相情感障碍
3月5日，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Stem Cell Reports上的一篇论文显示，这种疾病可以追溯到一种叫做白细胞介素-6（IL-6）的促炎分子，这种分子由星形胶质细胞分泌。虽然还需要进一步研究，但该结果强调了星形胶质细胞介导的炎症信号在精神疾病中的潜在作用。
“我们的研究结果表明，IL-6可能导致与双相情感障碍相关的缺陷，这为临床干预开辟了新的途径。”论文联合资深作者、索尔克生物研究所的Fred Gage说。
大约有1%~3%的人患有双相情感障碍，特征是情绪状态从精力充沛和兴高采烈（被称为躁狂）到精力不足和抑郁发作的循环往复。一些证据表明不平衡的炎症信号和双相情感障碍之间存在联系。例如，这些患者有慢性炎症以及较高的炎症相关疾病患病率，如心血管疾病、糖尿病和代谢综合征。此外，他们具有更高浓度的循环促炎细胞因子，如IL-1β和IL-6，特别是在躁狂发作期间。
“虽然轻度炎症对许多神经过程有益，但IL-6的过量产生可能加重双相情感障碍的症状，并可能是一个重要的治疗靶点。”论文联合资深作者、索尔克生物研究所和加州大学圣迭戈分校人类系的Maria Carolina Marchetto说。
星形胶质细胞被认为参与了脑内的炎症级联反应。这些细胞被IL-1β和其他促炎细胞因子激活，进而分泌参与神经炎症过程的细胞因子。“由于对神经炎症在精神疾病中作用的认识的日益加深，我们想知道星形胶质细胞中炎症驱动信号的改变是否与双相情感障碍有关。”论文联合资深作者、索尔克生物研究所以及巴黎精神病学和神经科学研究所的Renata Santos说。
研究人员先前开发了一种从人类诱导性多能干细胞中快速生成炎症反应性星形胶质细胞的方法。在新研究中，他们比较了6名双相情感障碍患者和4名健康个体产生的诱导性多能干细胞衍生星形胶质细胞的炎症特征。
患者星形胶质细胞对促炎细胞因子的反应显示出一种独特的转录模式，其特征是IL-6基因的高表达。因此，这些细胞分泌更多的IL-6，从而对共培养的神经元的活性产生负面影响。在该星形胶质细胞培养基中，神经元活性降低，而这种作用能被IL-6灭活抗体部分阻断。此外，双相情感障碍患者血液中IL-6水平高于健康个体。
“这些结果表明，星形胶质细胞分泌因子在调节神经元活动中发挥作用，在双相情感障碍患者体内，IL-6至少在一定程度上介导了致炎性星形胶质细胞对神经元活动的影响。”论文第一作者、索尔克生物研究所的Krishna Vadodaria说。
下一步，研究人员计划进一步研究IL-6对神经元活动的影响。与此同时，人们应该谨慎地解读这些发现。实验可能无法模拟双相情感障碍相关的慢性炎症，而且培养系统也不包括许多潜在相关免疫反应的细胞类型。此外，与双相情感障碍患者大脑中的星形胶质细胞相比，诱导性多能干细胞衍生的星形胶质细胞相对不成熟，而且缺乏可靠的生物标志物来精确地确定其发育年龄。
“目前，直接将结果推导到双相情感障碍患者身上仍然具有挑战性。”Gage说，“尽管有这些局限性，我们的发现阐明了星形胶质细胞在精神疾病神经炎症中未被充分研究的一些作用。”
参考文献：
Vadodaria et al. "Altered Neuronal Support and Inflammatory Response in Bipolar Disorder Patient-Derived Astrocytes". Stem Cell Reports.
04
小胶质细胞、抑郁样
海马齿状回中的成年神经发生受特定的小胶质细胞群调节，并在功能上涉及对应激的行为反应。然而，小胶质细胞在海马神经发生和应激弹性中的作用仍不清楚。
2021年3月17日，电子科技大学游自立及陈华富共同通讯在Science Advances 在线发表题为”IL4-driven microglia modulate stress resilience through BDNF-dependent neurogenesis“的研究论文，该研究发现白细胞介素4（IL4）驱动的小胶质细胞的特征是Arg1的高表达，这对维持海马神经发生和应激抵抗至关重要。
通过敲低小胶质细胞IL4R，减少海马中的Arg1 +小胶质细胞可抑制海马神经发生并增强应激易感性。通过增强IL4信号通路，增加海马中的Arg1 +小胶质细胞恢复了海马神经发生和对应激性抑郁的适应能力。发现脑源性神经营养因子（BDNF）对于IL4驱动的小胶质细胞的神经发生作用是必需的。总之，该研究结果表明，海马中由IL4驱动的小胶质细胞触发了BDNF依赖性神经发生，从而响应慢性应激，有助于预防类似抑郁的症状。这些发现确定了特定的小胶质细胞表型的调节作为情绪障碍的治疗策略。
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