PNAS︱覃宏涛/陈鹏课题组合作揭示多巴胺能神经元调节慢性应激诱导果蝇记忆障碍

撰文︱张梦雨

责编︱王思珍

黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）因其幼虫腹部一侧可见到黑色的消化道而得名，是最成功的遗传模式生物之一。尽管果蝇和哺乳动物的大脑解剖结构有很大的不同，但是神经系统的许多基本要素和功能具有很好的保守性。跟高等动物一样，果蝇也能够形成联想记忆。成蝇的学习记忆神经中枢是两个左右对称的蘑菇体（mushroom body，MB）。蘑菇体的学习环路主要涉及到三类神经元，凯尼恩细胞（Kenyon Cells，KC）、多巴胺能神经元（dopamine neurons，DANs）和蘑菇体输出神经元（MB Output Neurons，MBONs）。大约2000个KCs的轴突绑定在一起形成了MB的柄和叶，而DANs和MBONs的神经突起则投射到MB叶的不同区域。

应激（stress，俗称压力）对认知功能有显著的影响，长期或过度的应激暴露往往会损害学习和记忆[1]。由于应激是重度抑郁症的重要诱因，慢性应激动物模型被用来模拟抑郁症。虽然抑郁症动物模型主要采用哺乳动物，尤其是啮齿动物来建模，但是慢性应激同样能够诱导出果蝇的抑郁样症状，表现出快感缺失、缺乏动力、容易绝望和睡眠障碍等特征行为[2-4]。环境应激也能够影响果蝇的学习和记忆。然而，慢性应激对果蝇学习记忆的影响及其机制的研究仍然缺乏。

2021年10月16日，湖南大学的覃宏涛课题组、昆明医科大学的陈鹏课题组等合作在PNAS在线发表了题为“A pair of dopamine neurons mediate chronic stress signal to induce learning deficit in Drosophila melanogaster”的研究型文章。湖南大学生物医学工程专业研究生贾佳、杨珺斐和贺磊为同等贡献第一作者。该论文首次报道了慢性应激诱导的学习障碍（chronic stress-induced learning deficit，CSLD）与黑腹果蝇的抑郁样状态有关，并初步揭示多巴胺神经系统调控CSLD易感性的神经环路机制。

首先，作者建立了一个慢性应激诱导学习障碍（CSLD）的范式（图1A），并对经过为期4天慢性应激处理的果蝇进行表型鉴定。结果发现果蝇表现出一系列抑郁样行为表现，包括认知障碍（嗅觉学习和中时程记忆的缺陷）、求偶延迟[5]、快感缺失（攀高过程中驻足进食的次数减少[3]、易于绝望（强迫游泳测试中较早放弃挣扎）[6]（图1B-H）。有意思的是慢性应激诱导的强迫游泳缺陷和学习缺陷都能够持续至少两天以上（图1G-I）。这些结果说明慢性应激范式有可能诱发果蝇的抑郁样状态，从而表现出包括CSLD在内的多种抑郁样行为。

图1 长期的压力会导致果蝇的嗅觉学习记忆缺陷以及其他抑郁样行为表现

（图源：Jia Jia et al., PNAS, 2021）

随后该论文聚焦于CSLD表型，探究多巴胺能神经系统与CSLD易感性的关系。作者通过药物饲喂手段对多巴胺的合成进行了双向调控（3-IY抑制多巴胺合成，L-DOPA则促进多巴胺合成）。结果发现过高的多巴胺水平会促进CSLD的易感（图2 B, C）；而利用遗传操纵手段对多巴胺类D1型受体Dop1R1表达量进行的双向调控（缺失突变杂合体Dop1R1^dumb2/+敲低Dop1R1[7,8]，Gal4/UAS驱动Dop1R1在MB的过表达）则显示过度的多巴胺受体信号会造成慢性应激相关的学习记忆障碍（图2D-E）；进一步利用温度遗传学对DANs活性进行双向操纵（TH-Gal4/ UAS-Shi^TS1可用以抑制DAN神经递质的释放，TH-Gal4/ UAS-TrpA1可人为激活DAN [9,10]）。结果说明震荡应激处理过程中过度活跃的DAN活性同样促进CSLD的易感性（图2F-H）。总结：在多巴胺、多巴胺受体和多巴胺神经元三个水平上的实验证据一致表明慢性应激处理诱导的过度多巴胺能活性会增加果蝇对CSLD的易感性。

图2 CSLD的易感性受多巴胺能系统调控

（图源：Jia Jia et al., PNAS, 2021）

成蝇大脑中大约有2百多个DAN [11]。为了找到调控CSLD的重要DAN，作者利用上述的温度遗传学工具对投射到MB的DAN进行了筛选。结果发现只需阻断PPL1-γ1pedc神经元就足以有效地阻止CSLD（图3D-G），而阻断其他神经元对CSLD没有显著影响（图3B, C）。反过来，慢性人工激活PPL1-γ1pedc可以代替慢性震荡应激处理，诱发显著的学习障碍。可见，PPL1-γ1pedc是介导慢性应激信号诱发CSLD的关键DAN，过度活跃的PPL1-γ1pedc能促进CSLD的发生发展。值得关注的是，成蝇大脑中的PPL1-γ1pedc神经元只有左右对称的一对。

图3 PPL1-γ 1pedc DANs的活性可促进对CSLD的易感性。

（图源：Jia Jia et al., PNAS, 2021）

MB是解剖结构被研究得最清楚的脑区。PPL1-γ1pedc与MBON-γ1pedc>α/β投射到MB叶上的同一个区域。PPL1-γ1pedc活性能够减弱KC-MBON-γ1pedc>α/β之间的突触连接强度[10,12]。因此作者猜想，激活MBON-γ1pedc>α/β对CSLD的影响应该与阻断PPL1-γ1pedc活性的效果类似。的确，实验表明，在震荡处理过程中激活MBON-γ1pedc>α/β可以阻止CSLD的发生（图4A, B）；而慢性阻断MBON-γ1pedc>α/β活性也同样足以诱导学习障碍的发生（图4C）。

图4 MBON-γ1pedc>α/β 神经元调节CSLD易感性。

（图源：Jia Jia et al., PNAS, 2021）

之后，作者分别利用两种神经活性报告系统，CaLexA[13]和ANF-GFP，来检测MB相关神经元的活性在慢性应激处理之后是否表现异常。实验结果发现，α’/β’ KCs的CaLexA信号减弱，说明累积的神经活动减少（图5A, F），而MBON-γ1pedc>α/β的ANF-GFP信号下调，说明其神经活动增强（图5 D, I）。此外，雄蝇γ- KCs的CaLexA信号增强，说明其神经活动也增加了。重要的是，这三类神经元的正常功能都是果蝇嗅觉学习所必需的。这些神经异常的叠加效应可能CSLD的神经生理基础。最后，利用3-IY饲喂（下调DA水平）可以有效地缓解慢性应激诱发的α’/β’ KCs活性异常（图5E, J），说明多巴胺能活性也是慢性应激诱导学习相关神经活动异常的必要条件。

图5 慢性应激诱导MB网络的异常神经活动

（图源：Jia Jia et al., PNAS, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望至此，整体实验证据支持了这样一个模型：慢性应激信号经过一对PPL1-γ1pedc DANs的介导传入蘑菇体，驱动蘑菇体神经网络的适应不良从而诱发CSLD。

该研究创立了一个研究慢性应激诱导学习记忆障碍的果蝇模型，并进一步证实果蝇慢性应激范式是有效的抑郁样动物模型。对CSLD的病因学研究表明多巴胺能系统对CSLD易感性具有进化上保守的重要调控作用。鉴于果蝇模型具有丰富的分子遗传学工具，并且其脑连接组已经完成，对CSLD的深入研究有望最终阐明慢性应激损害学习记忆神经环路的分子神经机制，为应激相关认知障碍的治疗提供重要线索和依据。

这项研究在催生一个新研究方向的同时，也存在着不少有待解决的问题，比如：一、文章使用的主效应激源是机械震荡，一种物理性应激源。而现代社会与抑郁症相关的应激源更加多的是社会性或心理性的。是否可以利用心理性应激源来构建果蝇抑郁样模型，以便更好地模拟抑郁症？二、文章发现了介导应激信号的多巴胺神经元，但是多巴胺神经元的上游信号是从哪里来的，文中并没有开展探讨；三、文章主要聚焦在CSLD易感性相关神经环路的解析上，没有关注调控CSLD易感性的分子机制。如果能够利用果蝇遗传模式生物的优势发现调控CSLD易感性的保守基因，果蝇抑郁样模型的价值将会更具说服力。

原文链接：https://www.pnas.org/content/118/42/e2023674118

本文共同第一作者：贾佳（左一），杨珺斐（中间），贺磊（右一）

（照片提供自：覃宏涛实验室）

本论文由多个单位共同合作，参与单位包括湖南大学、昆明医科大学、霍华德休斯医学研究所珍妮莉娅法姆研究园区、中科院生物物理研究所、中科院大学等。湖南大学为第一通讯单位。

该研究受到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、云南省自然科学基金等多个项目的资助，还得到了多位国内外同行的支持和帮助。

覃宏涛教授课题组长期研究大脑调控行为和生理的机制，目前研究兴趣集中在应激神经生物学领域。利用分子生化、生物信息、行为、免疫组化、成像等相关实验技术系统研究应激相关神经疾病的病理发生、发展的神经和分子机制。课题组正在招募博士后和研究助理，有意者请电邮[e-mail]。

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2Araujo, S. M. et al. Chronic unpredictable mild stress-induced depressive-like behavior and dysregulation of brain levels of biogenic amines in Drosophila melanogaster. Behav Brain Res 351, 104-113, doi:10.1016/j.bbr.2018.05.016 (2018).

3Ries, A. S., Hermanns, T., Poeck, B. & Strauss, R. Serotonin modulates a depression-like state in Drosophila responsive to lithium treatment. Nature Communications 8, doi:ARTN 1573810.1038/ncomms15738 (2017).

4Conrad, C. D. A critical review of chronic stress effects on spatial learning and memory. Prog Neuro-Psychoph 34, 742-755, doi:10.1016/j.pnpbp.2009.11.003 (2010).

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制版︱王思珍

本文完