Neuron丨吗啡成瘾治疗的新通路
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编者按：
2019年1月10日，浙江大学医学院神经科学中心李晓明课题组在《神经元》期刊（Neuron）在线发表了题为《Rostral and caudal ventral tegmental area GABAergic inputs to different dorsal raphe neurons participate in opioid dependence》的研究论文。该研究发现腹侧被盖区到中缝背核存在两条平行的抑制性通路，并发现了吗啡成瘾治疗的新靶点。我们邀请到了本文的第一作者浙江大学神经科学研究所李玥、李春悦为大家解析这篇论文。
作者丨李玥、李春悦（浙大神经科学研究所）
编辑丨浦肯野
排版丨X
成瘾的概念来自于药物依赖，或者说药物成瘾。药物依赖性，又称药物成瘾或药物成瘾性，也俗称“药瘾”，是指药物长期与机体相互作用，使机体在生理机能、生化过程或形态学发生特异性、代偿性和适应性改变的特性，停止用药可导致机体的不适或心理上的渴求。有时也包括具体状态，表现出一种强迫性地要连续或定期用该药的行为和其他反应，目的是要感受它的精神效应，有时也是为了避免停药引起的不适。
成瘾药物如吗啡、可卡因和苯丙胺等虽然有不同的化学特性、分子靶点和药理作用，但它们共同的特点是作用于中脑边缘多巴胺系统，增加腹侧被盖区（ventral tegmental area， VTA）多巴胺神经元活动，使伏隔核（nucleus accumbens, NAc）以及其他区域如前额叶皮质（prefrontal cortex）中多巴胺的释放增加。神经生物学及动物模型研究提示，成瘾药物依赖的发生是由于长期反复的服用，使中枢神经系统特别是中脑边缘多巴胺系统发生了细胞、分子水平上的适应。这一过程涉及到多个脑区的多种神经系统的参与，如多巴胺（Dopamine, DA）能神经元、5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT）能神经元、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）能神经元、谷氨酸（Glutamine, Glu）能神经元、去甲肾上腺素（Norepinephrine, NE）能神经元、内源性阿片肽系统等。反复长期用药，使这些神经元发生适应性变化，改变了强化机制和动机状态，使患者出现出现了耐受、戒断症状、渴求等病理生理改变。
（Luscher and Malenka, 2011, Neuron）
成瘾药物的作用靶点：中脑皮层多巴胺系统
在本研究中，我们发现了一条可以调节吗啡成瘾的神经通路。阿片类药物是从罂粟中提取的生物碱及衍生物，能缓解疼痛，但长期服用可上瘾。在美国，阿片类药物上瘾和滥用已演变成“最严重的公共卫生危机”，甚至有媒体称其为美国“历史上最致命的毒品流行”。联合国毒品和犯罪问题办公室最新发布的2018年《世界毒品报告》显示，阿片类药物在毒品中造成的伤害最大，致死人数占吸毒死亡人数的76%，阿片类药物等处方药物的非医疗使用正成为全球公共卫生和执法的主要威胁。
吗啡作为阿片类物质，在鸦片中的平均含量约为10%，吸食吗啡后会产生和鸦片相似的欣快感，但吗啡比鸦片更容易成瘾。另一方面，吗啡是临床上应用最为广泛的且最有效的镇痛剂，长期服用会导致耐受，并使机体对吗啡产生心理以及躯体的依赖，后期其镇痛效果降低，需要不断增加药物剂量来达到镇痛的目的。这些副作用的存在，大大限制了吗啡的临床应用。
为了更好发挥吗啡的镇痛作用，减少和阻断吗啡成瘾的危害，就必须对吗啡的作用机制进行更深入的研究。
（Juhwan Kim, 2016, Mol. Cells）
参与吗啡成瘾的大脑奖赏环路示意图
VTA到DRN的抑制性投射
大脑中有一个与情绪密切相关的核团——中缝背核（dorsal raphe nucleus, DRN）。DRN是5-HT能神经元主要聚集的脑区，广泛的投射到前脑，调节情感、认知等高级大脑功能。VTA和DRN在奖赏和成瘾中扮演着重要的角色，两者如何发挥协调作用则一直是神经科学研究的热点。VTA中含有大量的抑制性GABA能神经元，之前有研究发现VTA GABA能神经元介导厌恶，在条件性位置偏好实验（Conditioned Place Preference, CPP）中，通过光遗传手段激活VTA GABA能神经元，小鼠不愿意待在给光刺激一侧的CPP箱子中，表现出条件性位置厌恶反应。那么这些神经元是否投射到DRN，是否参与调节两个的核团的功能呢？
为了解答上述问题，我们通过逆向跨突触病毒示踪、免疫组化和电生理实验发现，VTA到DRN存在两条平行的抑制性投射：头端VTA GABA能神经元主要投射到DRN的抑制性GABA能神经元，尾端VTA GABA能神经元则主要投射到DRN的5-HT能神经元。接着我们进行实时位置偏好/厌恶（Real time place preference/avoidance, RTPP/A）行为学实验,通常用来检测激活或抑制某脑区实时产生的奖赏或厌恶效应。我们将小鼠放入两个环境形同并连通的箱子中，当小鼠进入一边箱子时给予光刺激，而当小鼠在另一边时则不给光，观察小鼠对于光刺激配对的一侧箱子有无偏好或厌恶。结果表明激活前一条通路，会使小鼠表现出对光刺激配对箱子的躲避；而激活后一条通路，小鼠则表现出对光刺激配对箱子的偏好。DRN中的GABA能神经元接受头端VTA GABA的抑制后会降低对其局部5-HT能神经元的抑制。因此，在小鼠脑内两条通路通过相反的作用调节DRN 5-HT能神经元的活动使小鼠产生厌恶或奖赏样的行为。
但是5-HT能神经元在奖赏相关行为中所扮演的角色一直存在争议。利用光遗传学、光纤记录等技术，2016年北京生命科学研究所罗敏敏教授等人在Nature Communications发表论文，发现中缝背核的5-HT能神经元能够响应奖赏信号。2018年斯坦福大学骆利群教授等人在Cell上发表论文，发现中缝背核5-HT能神经元可以响应厌恶样行为刺激。这些不同的实验结果可能是因为奖赏及厌恶刺激由中缝背核中不同类群的5-HT能神经元响应，或是不同神经通路中5-HT神经元功能存在差异。
光激活或抑制头端或尾端VTA投射到DRN的GABA能轴突末梢导致奖赏相关行为
反复吗啡注射抑制头端VTA→DRN投射
吗啡可以激活位于GABA能神经元上的μ型阿片受体（MOPs）抑制GABA能神经元的活动。通过这种机制，吗啡抑制VTA GABA能中间神经元活动，使得VTA DA能神经元发生去抑制。长久以来，这被认为是吗啡产生欣快感和改变行为的神经生物学基础。我们通过免疫组化结合电生理实验发现，MOPs特异的表达在头端VTA到DRN的GABA能神经元轴突末梢上，而不表达在尾端VTA到DRN的GABA能神经元轴突末梢上。那么头端VTA到DRN这条通路是否通过上述机制受到吗啡的调节呢？
我们连续五天给小鼠腹腔注射吗啡，使小鼠对吗啡产生依赖。给药结束后小鼠出现吗啡依赖，具体表现为疯狂地在垫料中寻找药物，并且其运动强度也有所增加。通过脑片电生理实验发现头端VTA到DRN的投射受到了抑制，从头端VTA释放的GABA递质减少， DRN的GABA能神经元受到的抑制降低，继而导致DRN的5-HT神经元活动降低。这与之前的研究报道一致：DRN 5-HT能神经元活动的降低可以增强小鼠的冲动行为，从而增加小鼠寻找和摄取药物的强迫性行为。
头端VTA→DRN投射增强可降低吗啡的奖赏记忆
既然在小鼠对吗啡产生依赖的过程中，头端VTA到DRN环路的功能受到抑制，那么我们猜想：如果改变头端VTA到DRN通路的活性也会对小鼠吗啡依赖的过程产生影响。为了验证这个猜想，我们向小鼠连续7天腹腔注射吗啡，同时通过药理遗传学手段激活该条通路。正常情况下，当连续7天给予吗啡后，小鼠已经对吗啡产生依赖和耐受，运动强度会表现出连续增加，并且会有持续的觅药行为。我们的实验结果表明，激活头端VTA到DRN通路可以阻碍吗啡注射产生欣快感所引起的条件性位置偏好，但是不影响吗啡产生的运动敏化与镇痛作用，并且吗啡反复注射引起的耐受也得到了缓解。药理学实验结果提示在吗啡的使用时特异性地激活VTA到DRN环路或将成为吗啡成瘾治疗的有效手段，而这一基础研究的发现如何转化至临床应用的重点主要在于如何实现特异性操纵患者环路功能活动。
Robert F. Service et al. Science. 2015
这些研究不仅帮助人们更好地理解大脑中这两个脑区的解剖结构和功能，而且为治疗阿片类物质依赖提供了新的靶点，进一步为临床上吗啡镇痛的长期应用提供了可能，为开发低成瘾性的镇痛药物提供了理论基础。但是VTA中与奖赏密切相关的DA能神经元和DRN中的5-HT能神经元在吗啡成瘾中是如何发挥协调作用，以及该条通路是否也参与了其他类型的阿片类物质依赖过程还亟待研究。
封面图片：
https://axisresidentialtreatment.com/morphine-addiction/side-effects/
参考文献：
1. Luscher, C. and R.C. Malenka. (2011). Drug-evoked synaptic plasticity in addiction: from molecular changes to circuit remodeling. Neuron 69, 650-663.
2. Tan, K.R., Yvon, C., Turiault, M., et al. (2012). GABA neurons of the VTA drive conditioned place aversion. Neuron 73, 1173–1183.
3. Li, Y., Zhong, W., Wang, D., et al. (2016). Serotonin neurons in the dorsal raphe nucleus encode reward signals. Nat. Commun. 7, 10503.
4. Ren, J., Friedmann, D., Xiong, J., et al. (2018). Anatomically defined and functionally distinct dorsal raphe serotonin sub-systems. Cell 175, 472– 487.e420.
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