JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路
撰文︱陈翌华
主编︱王思珍
最新的研究资料表明，世界上有超过1/3的人受到精神疾病的困扰；其中，焦虑障碍（Anxiety Disorders）已成为最为普遍的心境障碍疾病【1】。目前，焦虑障碍的发病机制尚不清楚。临床上使用的抗焦虑药存在有效率低、副作用大、停药后高复发率、以及长期药物服用可产生依赖性等问题【2】。除了药物治疗外，最常使用的是心理治疗，其中以认知-行为疗法（CTB）使用最广【3】。CTB尽管疗效比较明确，但是有相当一部分患者无法获得该疗法，且该疗法需要的时间比较长，许多患者常常中途放弃【4】。
近年来的临床研究提示，前额叶的重复经颅磁刺激（rTMS）和直流电刺激（tDCS）治疗可缓解部分患者的焦虑症状【5, 6】。然而，需要强调的是，这些非药物疗法均依赖于调节认知功能的高级中枢（内侧前额叶皮层（mPFC））并通过其下行神经回路以实现对焦虑情绪的控制，但目前对mPFC调控焦虑的下行神经回路知之甚少。
边缘下区（IL）为mPFC脑区的重要亚区，是大脑内情绪情感调节回路中关键的上游脑区。损毁IL区后大鼠表现出抗焦虑的表型【7, 8】，用GABA受体的拮抗剂激活IL脑区可引起焦虑样行为【9】。利用光遗传学或化学遗传学等工具，业内在努力地绘制焦虑的神经环路，已知杏仁核、杏仁核延长部分、海马-隔轴起到重要作用【10】。尽管，其中的一些脑区，譬如杏仁核，接受IL的投射；但是，对于它们之间的连接关系以及对焦虑的调控作用，却很少受到关注。
焦虑（anxiety）是一种先天或后天习得的对将来的、未知的危险/威胁信号的情绪反应；而恐惧（fear）是对当前的、已知的危险/威胁信号的情绪反应。当中性刺激（如声音）反复地同强烈的厌恶刺激（如电击）相联结时，人和动物会迅速地对原来的中性刺激形成恐惧反应，这种巴普洛夫条件性恐惧习得被认为是引起焦虑的重要机制【11】。过度、持久的恐惧及对这些恐惧反应的消退缺陷是焦虑障碍的主要诊断标记【12, 13】。大量的人和动物的研究证实，mPFC在恐惧加工中至关重要【14-16】。临床研究发现，焦虑症患者存在恐惧消退缺陷和mPFC活动降低等特征【15-18】。动物实验表明，IL参与调节恐惧记忆的消退【19】。但是，目前对IL调节恐惧记忆的消退的神经环路知之甚少。
2021年7月15日，南方医科大学高天明教授课题组在The Journal of Clinical Investigation杂志上发表了题为“Distinct projections from the infralimbic cortex exert opposing effects in modulating anxiety and fear”的研究论文。陈翌华为该论文第一作者。研究发现，外侧隔核（LS）和杏仁核的中央核（CeA）是IL的两个下游脑区，并揭示IL脑区的两个下行神经回路，即IL-LS和IL-CeA回路，在调控焦虑和恐惧中发挥截然相反的作用，前者促进焦虑相关行为和恐惧相关僵直反应，后者则发挥抗焦虑作用和减轻恐惧作用。该项研究为认知调控情感的神经回路和治疗焦虑障碍提供了理论基础。
文章中，研究人员通过光激活IL脑区的谷氨酸能兴奋性神经元后引起小鼠明显的焦虑样行为，而抑制该类型神经元后则出现抗焦虑的行为表型，这些结果进一步证实IL是参与调节焦虑样行为的重要脑区。为进一步找到IL调控的下游脑区，研究者向该脑区注射顺行示踪病毒，发现，IL脑区的轴突投射到丘脑、中缝背核、基底外侧杏仁核 (BLA)、CeA、终纹床核（BNST）、LS。通过光遗传技术分别激活上述投射回路，研究人员发现：IL-LS神经回路激活后小鼠出现焦虑样行为，该回路抑制后则出现抗焦虑的行为表型；而激活IL-CeA回路会减缓焦虑行为，抑制该回路则导致焦虑样行为（图1）。进一步的逆行示踪、膜片钳记录等实验证实，IL到LS或到CeA的投射均为自上而下的、独立的单突触投射（图2）。这些结果进一步提示：IL-CeA和IL-LS两个神经回路在焦虑相关行为的调控中发挥完全相反的作用。
图1 不同的IL投射调节焦虑行为呈现完全相反的作用
（图片引自：Chen et al., J Clin Invest. 2021; 131: e145692）
图2 IL末梢单突触支配LS或CeA
（图片引自：Chen et al., J Clin Invest. 2021; 131: e145692）
值得注意的是，作者发现，IL-CeA 投射还对应激引起的高度焦虑发挥自上而下的控制：慢性束缚应激（每天1小时并持续3天）能够引起小鼠的焦虑样行为，而IL-CeA回路激活能够逆转这种由应激所引起的焦虑行为（图3）。这一结果也暗示一种可能性：病理条件（如应激）下的IL-CeA回路对焦虑样行为的自上而下的调节。
图3激活 IL-CeA 投射可逆转束缚应激引起的焦虑
（图片引自：Chen et al., J Clin Invest. 2021; 131: e145692）
那么，IL-LS和LS-CeA回路在恐惧中是否也发挥，以及发挥何种作用呢？作者首先发现，IL脑区神经元的激活可以明显降低小鼠因声音而导致的僵直行为，即IL脑区的神经活性对于消退恐怖记忆是必要的。紧接着，作者发现，在恐怖记忆消退阶段，光激活IL-LS回路，小鼠表现为高于对照组的僵直行为比例，光激活IL-CeA回路，小鼠则表现为低于对照组的僵直行为比例，而分别抑制两条回路，小鼠出现相反的行为比例（图4）。在恐怖记忆形成阶段激活或抑制两条回路则无此现象。这些结果表明：IL-CeA和IL-LS两条神经回路在恐惧记忆消退（阶段）的调控中也发挥完全相反的作用。
图4 IL-LS 和 IL-CeA 回路以相反的方向调节恐惧消退
（图片引自：Chen et al., J Clin Invest. 2021; 131: e145692）
CeA脑区包含亚区外侧中央杏仁核（CeL）、内侧中央杏仁核（CeM）及囊中央杏仁【20】。有报道称，CeL区神经元活动是恐惧产生所必需的，而条件性恐惧应答是由CeM区输出神经元所驱动的，CeM输出神经元受到来自CeL的抑制性控制【21, 22】。在此， 病毒示踪实验首先证实，IL脑区轴突可投射到CeL和CeM脑区（图5）。接着，光激活IL- CeL回路，小鼠表现为焦虑样行为减缓，对僵直行为则无影响；而激活IL- CeM回路，小鼠则表现出为焦虑样行为减缓和僵直行为比例降低。这些结果提示：IL- CeL和IL- CeM两条神经回路在调节恐惧样记忆消退中发挥不同的作用。
图5 标记投射到CeL或CeM的IL神经元。
（图片引自：Chen et al., J Clin Invest. 2021; 131: e145692）
在生理条件下，mPFC对杏仁核活动施加自上而下的抑制性控制，限制其输出，从而防止不适当的情绪表达【23-26】。本研究发现了与此一致的抑制性回路：IL-CeA 投射，抑制该回路可产生焦虑，这表明在生理情况下，它对抑制焦虑是必需的。另一方面，当动物暴露于高架十字迷宫和旷场等引起焦虑的环境时，mPFC神经元呈现出焦虑相关的电活动特征，动物使用这种特征来指导焦虑相关的行为【27, 28】。与此一致，研究人员发现了一个焦虑回路：IL-LS投射，抑制该回路小鼠创出现抗焦虑样行为。因此，这些研究结果表明，在mPFC中有两个自上而下的对抗的神经回路，用于高效和精确地调节焦虑状态。
特定的内在稳态通过多样化的内部状态产生对环境的适应，协调动物的行为状态【29-31】。本研究表明，IL对焦虑的控制是由LS和CeA投射细胞之间的合作介导的。LS和CeA投射的IL神经元以类似盐和胡椒的方式混合，而不是在解剖学上完全隔离，这一事实可能有助于整合局部相互作用，对快速行为转换很重要。IL投射神经元群体如何在局部回路中整合以及在其长投射靶区中与哪些细胞类型直接接触仍有待确定。值得注意的是，mPFC是一个汇聚点，整合来自大脑结构的输入，包括调节恐惧和焦虑的杏仁核/海马输入【32-34】。最终，需要对局部和全脑范围内的功能回路进行综合解析，以确定复杂行为如何出现以及它们如何被经验修改，这将是未来研究的一个有趣课题。
CeA包含至少2个亚区（CeM和CeL）【35】和多种神经元亚型【20, 36】。激活CeA亚区（CeL或CeM），或者CeL内的特定细胞群（如PKC-δ+，PKC-δ-），可以诱导不同的恐惧相关反应【21, 22, 37】。该研究发现，直接刺激投射到 CeL的IL神经元对恐惧记忆的消退没有影响。CeL中的PKC-δ+和PKC-δ-神经元相互抑制【22, 37】， 因此，同时激活两种神经元可能会抵消它们对恐惧记忆消退的影响。与此一致，研究人员发现，光遗传学激活投射CeL的IL神经元，在PKC-δ+和PKC-δ-神经元中以相似的比例诱导c-Fos表达。由于激活该通路不影响恐惧相关的行为，提示IL-CeL PKC-δ+和IL-CeL PKC-δ-可能起相反的作用。未来的研究应当解析IL输入到CeL PKC-δ+和PKC-δ–神经元以及这些神经元在控制恐惧记忆中的相互作用。值得注意的是，激活投射到CeM的IL神经元促进了恐惧消退，模拟了IL-CeA神经末梢刺激的效果。由于CeM接受来自CeL强大的抑制控制【21, 22, 38】, CeL和CeM在调控恐惧消退方面的功能关系需要进一步探索。
总的来说，研究人员发现了前额叶皮层两个下行的、作用相互对抗的神经环路。作者证实LS 是IL的直接投射，该环路可增强恐惧和焦虑行为，而IL-CeA环路则对于抗焦虑是充分和必要的。
原文连接：https://www.jci.org/articles/view/145692#SEC3
【2】Nature︱前沿! GluDs将不同突触前信号转导到不同突触后受体应答的机制
【3】Neurosci Bull︱条件性社交恐惧模型: 在小鼠中诱导强烈且特异的社交恐惧
【4】Neuron︱小胶质细胞C9orf72基因缺失促进突触丢失, 学习记忆缺陷的新机制
【5】Sci Adv︱周申如团队发现大脑脑区发育和脑区边界建立的新机制
【6】Nat Commun︱前沿! 宋源泉团队揭示抑制轴突再生的新分子机制
参考文献（上下滑动查看）
【1】Huang Y, Wang Y, Wang H, Liu Z, Yu X, Yan J, et al. Prevalence of mental disorders in China: a cross-sectional epidemiological study. Lancet Psychiatry 2019, 6: 211-224.
【2】 Bandelow B, Reitt M, Rover C, Michaelis S, Gorlich Y, Wedekind D. Efficacy of treatments for anxiety disorders: a meta-analysis. Int Clin Psychopharmacol 2015, 30: 183-192.
【3】Kaczkurkin AN, Foa EB. Cognitive-behavioral therapy for anxiety disorders: an update on the empirical evidence. Dialogues Clin Neurosci 2015, 17: 337-346.
【4】Carpenter JK, Andrews LA, Witcraft SM, Powers MB, Smits JAJ, Hofmann SG. Cognitive behavioral therapy for anxiety and related disorders: A meta-analysis of randomized placebo-controlled trials. Depress Anxiety 2018, 35: 502-514.
【5】Cirillo P, Gold AK, Nardi AE, Ornelas AC, Nierenberg AA, Camprodon J, et al. Transcranial magnetic stimulation in anxiety and trauma-related disorders: A systematic review and meta-analysis. Brain Behav 2019, 9: e01284.
【6】Cui H, Jiang L, Wei Y, Li W, Li H, Zhu J, et al. Efficacy and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation for generalised anxiety disorder: A meta-analysis. Gen Psychiatr 2019, 32: e100051.
【7】Lacroix L, Spinelli S, Heidbreder CA, Feldon J. Differential role of the medial and lateral prefrontal cortices in fear and anxiety. Behav Neurosci 2000, 114: 1119-1130.
【8】Sullivan RM, Gratton A. Behavioral effects of excitotoxic lesions of ventral medial prefrontal cortex in the rat are hemisphere-dependent. Brain Res 2002, 927: 69-79.
【9】Bi LL, Wang J, Luo ZY, Chen SP, Geng F, Chen YH, et al. Enhanced excitability in the infralimbic cortex produces anxiety-like behaviors. Neuropharmacology 2013, 72: 148-156.
【11】Tovote P, Fadok JP, Luthi A. Neuronal circuits for fear and anxiety. Nat Rev Neurosci 2015, 16: 317-331.
【11】Duits P, Cath DC, Lissek S, Hox JJ, Hamm AO, Engelhard IM, et al. Updated meta-analysis of classical fear conditioning in the anxiety disorders. Depress Anxiety 2015, 32: 239-253.
【12】Sloan E, Hall K, Moulding R, Bryce S, Mildred H, Staiger PK. Emotion regulation as a transdiagnostic treatment construct across anxiety, depression, substance, eating and borderline personality disorders: A systematic review. Clin Psychol Rev 2017, 57: 141-163.
【13】 Wilcox CE, Pommy JM, Adinoff B. Neural Circuitry of Impaired Emotion Regulation in Substance Use Disorders. Am J Psychiatry 2016, 173: 344-361.
【14】Bukalo O, Pinard CR, Silverstein S, Brehm C, Hartley ND, Whittle N, et al. Prefrontal inputs to the amygdala instruct fear extinction memory formation. Sci Adv 2015, 1.
【15】Dejean C, Courtin J, Rozeske RR, Bonnet MC, Dousset V, Michelet T, et al. Neuronal Circuits for Fear Expression and Recovery: Recent Advances and Potential Therapeutic Strategies. Biol Psychiatry 2015, 78: 298-306.
【16】Giustino TF, Maren S. The Role of the Medial Prefrontal Cortex in the Conditioning and Extinction of Fear. Front Behav Neurosci 2015, 9: 298.
【17】Milad MR, Quirk GJ. Fear extinction as a model for translational neuroscience: ten years of progress. Annu Rev Psychol 2012, 63: 129-151.
【18】Sylvester CM, Corbetta M, Raichle ME, Rodebaugh TL, Schlaggar BL, Sheline YI, et al. Functional network dysfunction in anxiety and anxiety disorders. Trends Neurosci 2012, 35: 527-535.
【19】Do-Monte FH, Manzano-Nieves G, Quinones-Laracuente K, Ramos-Medina L, Quirk GJ. Revisiting the role of infralimbic cortex in fear extinction with optogenetics. J Neurosci 2015, 35: 3607-3615.
【20】Cassell MD, Freedman LJ, Shi C. The intrinsic organization of the central extended amygdala. Ann N Y Acad Sci 1999, 877: 217-241.
【21】Ciocchi S, Herry C, Grenier F, Wolff SB, Letzkus JJ, Vlachos I, et al. Encoding of conditioned fear in central amygdala inhibitory circuits. Nature 2010, 468: 277-282.
【22】Haubensak W, Kunwar PS, Cai H, Ciocchi S, Wall NR, Ponnusamy R, et al. Genetic dissection of an amygdala microcircuit that gates conditioned fear. Nature 2010, 468: 270-276.
【23】Rosenkranz JA, Grace AA. Dopamine attenuates prefrontal cortical suppression of sensory inputs to the basolateral amygdala of rats. J Neurosci 2001, 21: 4090-4103.
【24】Motzkin JC, Philippi CL, Wolf RC, Baskaya MK, Koenigs M. Ventromedial prefrontal cortex is critical for the regulation of amygdala activity in humans. Biol Psychiatry 2015, 77: 276-284.
【25】Quirk GJ, Likhtik E, Pelletier JG, Pare D. Stimulation of medial prefrontal cortex decreases the responsiveness of central amygdala output neurons. J Neurosci 2003, 23: 8800-8807.
【26】Rosenkranz JA, Moore H, Grace AA. The prefrontal cortex regulates lateral amygdala neuronal plasticity and responses to previously conditioned stimuli. J Neurosci 2003, 23: 11054-11064.
【27】Adhikari A, Topiwala MA, Gordon JA. Single units in the medial prefrontal cortex with anxiety-related firing patterns are preferentially influenced by ventral hippocampal activity. Neuron 2011, 71: 898-910.
【28】Adhikari A, Topiwala MA, Gordon JA. Synchronized activity between the ventral hippocampus and the medial prefrontal cortex during anxiety. Neuron 2010, 65: 257-269.
【29】Jennings JH, Sparta DR, Stamatakis AM, Ung RL, Pleil KE, Kash TL, et al. Distinct extended amygdala circuits for divergent motivational states. Nature 2013, 496: 224-228.
【30】Kim SY, Adhikari A, Lee SY, Marshel JH, Kim CK, Mallory CS, et al. Diverging neural pathways assemble a behavioural state from separable features in anxiety. Nature 2013, 496: 219-223.
【31】Senn V, Wolff SB, Herry C, Grenier F, Ehrlich I, Grundemann J, et al. Long-range connectivity defines behavioral specificity of amygdala neurons. Neuron 2014, 81: 428-437.
【32】Ahrlund-Richter S, Xuan Y, van Lunteren JA, Kim H, Ortiz C, Pollak Dorocic I, et al. A whole-brain atlas of monosynaptic input targeting four different cell types in the medial prefrontal cortex of the mouse. Nat Neurosci 2019, 22: 657-668.
【33】Sun Q, Li X, Ren M, Zhao M, Zhong Q, Ren Y, et al. A whole-brain map of long-range inputs to GABAergic interneurons in the mouse medial prefrontal cortex. Nat Neurosci 2019, 22: 1357-1370.
【34】Hoover WB, Vertes RP. Anatomical analysis of afferent projections to the medial prefrontal cortex in the rat. Brain Struct Funct 2007, 212: 149-179.
【35】Pitkanen A, Savander V, LeDoux JE. Organization of intra-amygdaloid circuitries in the rat: an emerging framework for understanding functions of the amygdala. Trends Neurosci 1997, 20: 517-523.
【36】Cassell MD, Gray TS, Kiss JZ. Neuronal architecture in the rat central nucleus of the amygdala: a cytological, hodological, and immunocytochemical study. J Comp Neurol 1986, 246: 478-499.
【37】Li H, Penzo MA, Taniguchi H, Kopec CD, Huang ZJ, Li B. Experience-dependent modification of a central amygdala fear circuit. Nat Neurosci 2013, 16: 332-339.
【38】Huber D, Veinante P, Stoop R. Vasopressin and oxytocin excite distinct neuronal populations in the central amygdala. Science 2005, 308: 245-248.
制版︱王思珍
本文完