Nat Neurosci︱宋娟团队揭示下丘脑环路调控海马神经发生促进记忆提取对抗焦虑样行为
责编︱王思珍
成年海马齿状回存在的神经发生和学习记忆、情感等行为密切相关，而海马神经发生在阿尔兹海默病、癫痫、抑郁症等疾病中明显损害[1-3]。调控成年海马神经再生可能成为治疗这些疾病的新策略。
已有研究显示，运动、丰富环境、选择性基因操控和抗抑郁药物均可以促进海马神经元再生[2, 4]，但是，相较于这些策略，神经环路可以传入递质特异性输入，调控海马神经再生的特定阶段。目前的研究主要关注神经环路调控神经神经发生的某一阶段，例如干细胞分裂、神经前体细胞分化或者未成熟神经元存活等等[5-9]。单一神经环路能否调控神经发生的全过程并不清楚。更重要的是，神经环路修饰的海马新生细胞能否提高学习记忆和情感等海马依赖的功能尚未研究。
2022年5月6日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）宋娟课题组博士后李亚东、罗艳佳等人在Nature Neuroscience上发表了题“Hypothalamic modulation of adult hippocampal neurogenesis in mice confers activity-dependent regulation of memory and anxiety-like behavior”的最新研究，揭示了下丘脑后部核团乳头上核调控成年海马神经发生，促进记忆提取和对抗焦虑的新机制。
下丘脑后部核团乳头上核（supramammillary nucleus，SuM）投射海马齿状回（dentate gyrus，DG），调控运动[10]、环境和社交新颖（novelty）[11]以及觉醒[12]等行为。李亚东等人前期在eLife报道了SuM在DG同时释放谷氨酸和GABA递质，可以直接调控存储空间记忆的DG颗粒细胞活性，促进空间记忆提取[13]（图1）。由于谷氨酸和GABA递质对调控神经发育发挥着重要作用，研究人员推测SuM可能促进海马神经发生。
图1 SuM通过谷氨酸递质释放，同步化DG神经元活性，促进空间记忆提取。
（图源：Li YD, et al., eLife, 2020）
首先，使用3D重构的方法，研究人员证明了SuM神经元末梢和Nestin标记的神经干细胞（rNSCs）在形态学上的联系。在离体脑片上，通过光遗传学激活SuM-DG环路后引起rNSCs内向电流和去极化；这种光激活神经环路引起的电流可被离子型谷氨酸受体拮抗剂AMPA和NMDA而非是GABA受体拮抗剂所阻断（图2）。由此证明SuM可通过谷氨酸释放兴奋rNSCs。
图2 激活SuM-DG环路兴奋rNSCs。
（图源：Li YD, Luo YJ, et al., Nat Neurosci, 2022）
rNSCs可以直接分化神经前体细胞，进一步得到未成熟、成熟的新生神经元。SuM神经元活性是否影响神经再生的不同阶段呢？通过将Ascl1CreER小鼠和表达报告基因的Ai9-flox小鼠杂交得到Ascl1-Ai9小鼠，而后通过注射他莫昔芬，标记特定阶段的神经发生。使用Ascl1CreER:Ai9小鼠进行谱系示踪，研究人员发现光遗传法激活SuM神经元（3天）后海马DG区域rNSCs和神经前体细胞数量明显增加，该效应在敲除SuM Vglut2后消失。这进一步证明SuM谷氨酸释放在神经干细胞分化的重要调控作用。
紧接着，研究人员发，在神经前体细胞发育成未成熟神经元阶段，光遗传兴奋SuM（16天）通过释放GABA递质，促进神经前体细胞分化，增加未成熟神经元数量，同时促进树突形成，该效应在敲除SuM神经元GABA囊泡转运体后消失。
然后的研究中，作者发现，在未成熟神经元发育成为成熟神经元阶段，光遗传激活SuM神经元（32天），能够增强新生神经元的数量，增加NeuN共标成熟神经元数量，降低DCX共标未成熟神经元比例，增加dendritic spine数量，使其可以更好地融合进入海马神经网络（图3）。因此该效应由GABA和谷氨酸递质共同释放引起。
图3 激活SuM增加海马新生神经元。
（图源：Li YD, Luo YJ, et al., Nat Neurosci, 2022）
这些增加的新生神经元是否具备提高学习记忆能力呢？研究人员发现，单纯增加新生神经元数量不足以促进新位置识别（NPR）和场景性恐惧记忆（CFC）等学习记忆表现，也不能对焦虑和抑郁样行为产生影响。这可能是因为新生神经元活性高依赖的调控海马依赖的行为。于是研究人员使用Ascl1CreER小鼠和表达DREADD受体的hM3Dq-flox小鼠杂交得到Ascl1-hM3小鼠，选择性激活新生神经元。结果显示激活海马新生神经元可以促进空间记忆提取，对抗焦虑样行为。
文章最后，研究人员观察了激活经过SuM环路修饰的新生神经元对学习记忆和情感行为的影响。为了实现对SuM和DG不同神经元的操控，研究人员先通过光遗传法兴奋SuM调控神经发育；待新生细胞发育成为神经元之后，停止光遗传刺激，转而使用腹腔注射CNO的方式兴奋新生神经元，实现了在同一动物上时空特异地操控不同神经元的活性。实验结果显示，激活经过SuM环路修饰的新生神经元，相较于激活没有环路修饰的新生神经元，可以进一步促进记忆提取，对抗焦虑样行为（图4）。此外，通过光纤钙信号和在体spike记录等方法证明，SuM参与新环境和运动等促进神经发生的过程；而SuM毁损则会对抗这一效应，由此证明SuM调控神经发育这一过程是生理性存在的。
图4 SuM环路修饰的新生神经元活性依赖的调控记忆提取。
（图源：Li YD, Luo YJ, et al., Nat Neurosci, 2022）
图5 文章总结图：SuM改善的成年海马神经发生促进空间记忆提取。
（图源：Li YD, Luo YJ, et al., Nat Neurosci, 2022）
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-022-01065-x
李亚东和罗艳佳博士为论文共同第一作者，宋娟为通讯作者。该研究得到复旦大学黄志力课题组在体Spike记录技术支持。
宋娟 黄志力 李亚东 罗艳佳
（照片提供自：北卡罗来纳大学教堂山分校宋娟实验室）
宋娟实验室成员
宋娟（ 前排右一），李亚东（后排右二）
（照片提供自：北卡罗来纳大学教堂山分校宋娟实验室）
李亚东博士关注觉醒机制以及觉醒调控学习记忆和情感的神经环路研究，使用在体电生理记录、高分辨率单/双光子成像、在体多通道钙信号记录、蛋白质组学和光/化学遗传学操控方法等技术，揭示了腹侧基底神经节环路调控动机相关觉醒的重要作用（Molecular Psychiatry，2021；Nature Communications，2018）；发现下丘脑觉醒环路促进海马神经发生、改善记忆提取能力的作用和独特机制，提出了通过提高觉醒水平，促进海马神经发生改善学习记忆的新思路（eLife，2020；Nature Neuroscience，2022）。
宋娟实验室关注成年海马神经发生，在健康和疾病模型中研究神经环路调控海马神经发生和神经发生调控学习记忆和情感的神经环路。诚聘神经科学、分子生物学背景博士后。https://songlab.web.unc.edu
Song Lab Selected Publications
Asrican B#, Wooten J#, Li Y, Quintanilla L, Zhang F, Bao H, Yeh CY, Wander C, Luo YJ, Olsen RHJ, Lim SA, Jin P, Song J* (2020). Neuropeptides modulate local astrocytes to regulate adult hippocampal neural stem cells. Neuron 108(2):349-366.
Li Y, Bao H, Luo Y, Yoan C, Sullivan HA, Quintanilla L, Wickersham IR, Lazarus M, Shin YY, Song J* (2020). Supramammillary nucleus synchronizes with dentate gyrus to regulate spatial memory retrieval through glutamate release. eLife doi: 10.7554/eLife.53129.Yeh CY#, Asrican B#, Moss J, Quintanilla L, He T, Mao X, Cassé F, Gebara E, Bao H, Lu W, Toni N, Song J* (2018). Mossy cells control adult neural stem cell quiescence and maintenance through a dynamic balance between direct and indirect pathways. Neuron 99(3):493-510 (Featured article, issue highlights).Bao H#, Asrican B#, Li W#, Gu B, Wen ZX, Lim ZA, Haniff I, Ramakrishnan C, Deisseroth K, Philpot B, Song J* (2017). Long-range GABAergic inputs regulate neurl stem cell quiescence and control adult hippocampal neurogenesis. Cell Stem Cell 21(5):604-617 (Cover article, featured article, issue highlights, recommended by F1000, selected as Best Articles in 2017 in Cell Stem Cell).Song J, Sun J, Moss J, Wen Z, Sun G, Hsu D, Zhong C, Davoudi H, Christian K, Toni N, Ming GL, Song H (2013). Parvalbumin interneurons mediate neuronal circuitry-neurogenesis coupling in the adult hippocampus. Nature Neuroscience 16(12):1728-30.Song J, Zhong C, Bonaguidi MA, Sun G, Hsu D, Gu Y, Meletis K, Huang J, Ge S, Enikolopov G, Deisseroth K, Luscher B, Christian K, Ming GL, Song H (2012). Neuronal circuitry mechanism regulating adult quiescent neural stem-cell fate decision. Nature 489: 150-154 (Featured in Cell Stem Cell, Nat Rev Neurosci, BioEssays, F1000 must read).【1】Cereb Cortex︱李昌琪课题组揭示轻强度运动促进小鼠线索性恐惧记忆消的作用和机制
【2】Neurosci Bull︱孙宗鹏等在小脑核团控制不同类型运动的机制研究取得新进展
【3】Mol Psychiatry 综述︱阿尔茨海默病人脑内具有生物活性的可溶性淀粉样β蛋白：病理生理学和治疗探讨
【4】王振海团队揭示多西环素诱导布鲁杆菌侵染的人小胶质细胞凋亡新机制
【5】Nat Neurosci︱阿尔兹海默症大脑组织蛋白组学分析揭示新机制
【6】Front Mol Neurosci︱季秋虹等发现急性脑缺血引起sEVs中脑特异性miRNAs的增加，助力脑卒中早期诊断
【7】Sci Adv︱孔庆鹏/李吉/蔡望伟合作揭示人类健康老化的新型机制：转录因子ETS1调控的核糖体功能降低
【8】STAR Protocols︱秀丽线虫胚胎后发育过程的荧光活体成像方案
【1】膜片钳与光遗传及钙成像技术研讨会 5月21-22日 腾讯会议
参考文献（上下滑动阅读）
1.Anacker, C. and R. Hen, Adult hippocampal neurogenesis and cognitive flexibility - linking memory and mood. Nat Rev Neurosci, 2017. 18(6): p. 335-346.
2.Goncalves, J.T., S.T. Schafer, and F.H. Gage, Adult Neurogenesis in the Hippocampus: From Stem Cells to Behavior. Cell, 2016. 167(4): p. 897-914.
3.Anacker, C., et al., Hippocampal neurogenesis confers stress resilience by inhibiting the ventral dentate gyrus. Nature, 2018. 559(7712): p. 98-102.
4.Sahay, A., et al., Increasing adult hippocampal neurogenesis is sufficient to improve pattern separation. Nature, 2011. 472(7344): p. 466-U539.
5.Bao, H.C., et al., Long-Range GABAergic Inputs Regulate Neural Stem Cell Quiescence and Control Adult Hippocampal Neurogenesis. Cell Stem Cell, 2017. 21(5): p. 604-+.
6.Ge, S., et al., GABA regulates synaptic integration of newly generated neurons in the adult brain. Nature, 2006. 439(7076): p. 589-93.
7.Song, J., et al., Parvalbumin interneurons mediate neuronal circuitry-neurogenesis coupling in the adult hippocampus. Nat Neurosci, 2013. 16(12): p. 1728-30.
8.Yeh, C.Y., et al., Mossy Cells Control Adult Neural Stem Cell Quiescence and Maintenance through a Dynamic Balance between Direct and Indirect Pathways. Neuron, 2018. 99(3): p. 493-510 e4.
9.Asrican, B., et al., Neuropeptides Modulate Local Astrocytes to Regulate Adult Hippocampal Neural Stem Cells. Neuron, 2020. 108(2): p. 349-366 e6.
10.Farrell, J.S., et al., Supramammillary regulation of locomotion and hippocampal activity. Science, 2021. 374(6574): p. 1492-1496.
11.Chen, S., et al., A hypothalamic novelty signal modulates hippocampal memory. Nature, 2020. 586(7828): p. 270-274.
12.Pedersen, N.P., et al., Supramammillary glutamate neurons are a key node of the arousal system. Nat Commun, 2017. 8(1): p. 1405.
13.Li, Y., et al., Supramammillary nucleus synchronizes with dentate gyrus to regulate spatial memory retrieval through glutamate release. Elife, 2020. 9.
14.Li, Y.D., et al., Ventral pallidal GABAergic neurons control wakefulness associated with motivation through the ventral tegmental pathway. Mol Psychiatry, 2020.
15.Luo, Y.J., et al., Nucleus accumbens controls wakefulness by a subpopulation of neurons expressing dopamine D1 receptors. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 1576.
制版︱王思珍
本文完