BJP︱黄莺课题组发现5-羟色胺受体调节空间记忆新机制：以CB1R-GABAA依赖的方式维持海马长时程增强
撰文︱李静静，于燕
责编︱王思珍
情绪障碍型疾病（emotional disorders）一般都有认知障碍的临床表现，因此缓解认知功能障碍也是治疗的一个重要目标。5-羟色胺（serotonin，5-HT）在情绪调节中起着至关重要的作用[1,2]。最近发现联合使用5-HT系统调节剂，在抑郁症等精神疾病的治疗中具有更好的疗效[3]。5-HT3受体是5-HT受体家族中唯一的配体门控阳离子通道，对Na+、Ca2+和K+离子具有通透性，在海马、杏仁核、大脑皮层等区域高表达，介导皮层下5-羟色胺能传入的快速作用和情绪效应[4,5]。有研究发现该受体参与认知功能，其调节剂对精神疾病中的认知损害具有潜在的治疗作用[6]，但其神经机制尚不清楚。
近日，同济大学医学院的黄莺课题组在British Journal of Pharmacology上发表了题为“5-HT3A receptors maintain hippocampal LTP in a CB1 and GABAA receptor-dependent manner for spatial memory”的文章，阐述了5-HT 3A型受体（5-HT3ARs）参与海马依赖的空间记忆调控的神经生物学机制。黄莺副教授为本文通讯作者，课题组成员于燕、李静静为论文共同第一作者。该研究发现5-HT3ARs通过一种新的CB1R依赖的途径调控GABA能突触传递的去抑制从而在海马的突触可塑性和空间记忆调节中起关键作用。
作者首先比较了5-HT3ARs 敲除型（KO ）和野生型（WT）小鼠的记忆功能。发现KO小鼠的空间学习记忆受到损害（图1 G, H），而视觉识别记忆并不受影响（图1K）。并且5-HT3ARs 敲除不影响运动协调或平衡能力（图1 J）。而在海马突触传递中的研究发现，与WT小鼠相比，虽然5-HT3AR KO小鼠海马脑片的基础突触传递没有变化（图1 A, B），但theta节律刺激（TBS）或高频刺激（HFS）诱导的长时程增强（LTP）明显受损（图1 E, F）。这些结果表明：海马5-HT3AR缺失损害了CA3–CA1区域LTP和海马空间记忆形成。
图1 5-HT3AR受损损害了CA3-CA1 LTP和空间记忆
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
5-HT3ARs在GABA能的CCK/VIP中间神经元中特异性表达。为了检测KO小鼠中GABA能输入的变化是否导致LTP的损害，作者阻断GABAA受体，发现LTP在WT和KO小鼠海马脑片中均有增强，且WT和KO小鼠之间的LTP差异被消除（图2 A, B）。全细胞记录中发现，5-HT3AR的缺失增加了海马锥体神经元自发性抑制性突触后电流（sIPSCs）的频率（图2 C-G）。进一步实验发现微小抑制性突触后电位（mIPSCs）的频率也增高，表明轴突末端的5-HT3AR介导了5-HT3ARs敲除引起的GABA能输入的增加（图2 H-L）。这些结果表明：中间神经元轴突末梢表达的5-HT3AR通过促进锥体细胞GABA能输入使海马Schaffer侧支（SC）-CA1通路的LTP受损。
图2 5-HT3AR缺乏增加锥体神经元的GABA能输入
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
除了轴突末端的 5-HT3AR，作者随后通过另一种5-HT3AR阳性中间神经元表达GFP的转基因小鼠，进一步了分析了胞体5-HT3AR的作用。结果发现5-HT3R拮抗剂不会改变5-HT3AR阳性GABA能中间神经元的放电频率（图3 B,C）、膜电位（图3 D）和后超极化电位（AHP）（图3 E）。这说明中间神经元胞体表达的5-HT3ARs可能并不参与GABA传入的变化。
图3 5-HT3AR损坏不通过胞体受体影响5-HT3AR中间神经元的放电
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
为进一步了解5-HT3AR调节锥体细胞GABA能输入的机制，作者重点关注了与5-HT3Rs共表达于CCK/VIP中间神经元的轴突末端的CB1受体，并研究了5-HT3R 缺乏对CB1R 表达及功能的影响。大麻素1型受体（type-1 cannabinoid receptors，CB1R）是脑内表达量最高的G蛋白偶联受体。在生理条件下，该受体被内源性大麻素激活，紧张性地抑制GABA的释放而在调节CCK/VIP 中间神经元GABA突触传递中起了关键的作用。在此作者发现，5-HT3ARs和CB1Rs在海马中间神经元轴突末端共表达，而在胞体上未发现共表达（图4 A），共表达率为70 %-88 %（图4 B）。在5-HT3AR敲除的小鼠中，CB1R的mRNA及蛋白表达水平均降低（图4 C-F）。此外功能方面，发现5-HT3AR敲除的小鼠锥体细胞中DSI（depolarization-induced suppression of inhibition）显著降低（图4 G, H），说明CB1R的功能也明显降低。这些结果表明：5-HT3AR缺乏导致CB1R表达减少以及其功能受损。
图4 5-HT3AR缺失降低了轴突末端共定位的CB 1R的表达和功能
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
由于5-HT3AR缺乏导致CB1R表达减少以及其功能受损, 那么mIPSC的频率增加和LTP的损害是否是CB1R的功能降低造成的呢？作者在WT小鼠海马脑片中应用拮抗剂（AM251）抑制CB1R，检测了mIPSCs和LTP的变化。结果发现，AM251不仅增加WT小鼠脑片锥体细胞中mIPSC的频率（图5 A-C），也损害了LTP（图5 G-H），而对KO小鼠的mIPSCs和LTP没有影响（图5 D-F, I-J）。上述结果表明：CB1R功能降低直接导致GABA能突触传递的（去抑制）增强和LTP的损害。
图5 5-HT 3R缺乏可减少CB 1R对胞体非依赖GABA能传递和LTP的作用
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
为了进一步证实以上结论，作者在KO小鼠脑片中应用CB1R激动剂（WIN-55,212-2）激活CB1R，检测了mIPSCs和LTP的变化。发现该CB1R激动剂抑制了mIPSCs的频率增加（图6 A-C），也挽救了受损的LTP（图6 D, E）。在水迷宫试验中也发现，在KO小鼠中激活CB1R可以部分挽救受损的空间记忆（图6 F-H）。这些结果进一步证明：5-HT3AR缺失引起的CB1受体表达和功能的降低导致GABA传递增加、LTP及空间记忆损伤。
图6 CB1R介导5-HT3R阻断诱导GABA传输增加和LTP损伤，影响空间记忆
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
图7 5-HT3ARs作用机制示意图
（图源：Yu Y, et al., Br J Pharmacol, 2022）
综上所述，该研究发现5-HT3ARs缺失导致锥体细胞GABA能传入增强使海马LTP和空间记忆受损，这种作用依赖于轴突末稍而非胞体的5-HT3ARs（图7）。其原因是与5-HT3ARs共表达在轴突末稍的CB1Rs表达和功能降低，致使CB1Rs对GABA释放的紧张性抑制减弱，从而易化了GABA能的抑制性传入，导致了LTP和空间记忆的损害。研究结果表明5-HT3ARs通过一种新的CB1R依赖的途径调控GABA能突触传递的去抑制从而在海马的突触可塑性和空间记忆调节中起关键作用。鉴于5-HT和CB1Rs在抑郁症等精神疾病中的作用，5-HT3ARs可能作为5-HT和内源性大麻素系统功能耦合的界面，对这些精神障碍和认知障碍的治疗具有重要意义。此外，除了5-HT3ARs对CB1Rs表达的调节可能参与5-HT系统调节发育的过程外，5-HT3ARs和CB1Rs之间是否存在依赖于结构的急性的相互作用？两者之间又是如何作用的？这些问题还有待进一步研究。
原文链接：https://bpspubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/bph.15793
本文第一作者于燕（左），李静静博士（中），通讯作者黄莺教授（右）。
（照片提供自：同济大学的黄莺课题组）
本研究受国家自然科学基金经费支持。同济大学医学院黄莺教授神经环路和神经可塑性课题组招聘博士后，有兴趣者可邮件具体联系yinghuang@tongji.edu.cn
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参考文献（上下滑动查看）
1, Barnes, N. M., & Sharp, T. (1999). A review of central 5-HT receptors and their function. Neuropharmacology, 38(8), 1083–1152.
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制版︱王思珍
本文完