Nat Neurosci︱何彦林/徐勇团队合作报道神经性厌食症发生的新机制
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撰文︱蔡星，何彦林
责编︱王思珍
神经性厌食症（anorexia nervosa，AN）是指个体通过节食等手段，有意造成并维持体重明显低于正常标准的一种进食障碍，属于高致死率的精神疾病之一[1]。其主要症状是个体对自身体态的极度关注和认知错乱、自我禁食、体重显著减轻和高强度运动，常伴有焦虑、代谢及内分泌紊乱[2]，在生理和心理上都存在显著异常变化。近年来，随着全球化的发展，饮食习惯发生改变以及妇女社会角色发生转变，神经性厌食症的发病率显著增加[2]。目前神经性厌食症的发病机制并不明确，治疗手段也有限[2, 3]。已有的研究表明位于中脑腹侧被盖区（VTA）的多巴胺（dopamine）神经元和位于中脑中缝背核（DRN）的五羟色胺（5-HT）神经元能够参与调控包括进食在内的动机性行为[4, 5]，它们也被发现与神经性厌食症的发病机制相关[6]。然而，这两种神经元之间是如何通过神经环路来发挥作用尚不明确。
2022年5月2日，来自美国贝勒医学院的徐勇教授和路易斯安那州立大学潘宁顿生物医学研究中心的何彦林教授研究团队合作在Nature Neuroscience杂志上发表了题为“A D2 to D1 shift in dopaminergic inputs to midbrain 5-HT neurons causes anorexia in mice”的重要研究成果。该研究首次报道了中脑腹侧被盖区-中缝背核（VTA→DRN）的DAVTA神经元→5-HTDRN神经元环路调控食欲和神经性厌食症。该研究不仅有助于我们进一步理解神经性厌食症的神经生物学发病机制，也为临床上治疗神经性厌食症提供了新思路。
该研究团队首先利用转基因小鼠模型，神经环路示踪技术和电生理技术，证明了VTA脑区的多巴胺神经元可以投射到DRN脑区5-HT神经元（DAVTA→5-HTDRN），并发现多巴胺受体DRD1和DRD2在一部分5-HTDRN神经元上共表达。同时，他们发现低浓度的多巴胺通过结合DRD2受体从而抑制5-HTDRN神经元，而高浓度的多巴胺通过结合DRD1受体来激活5-HTDRN神经元（图1 a-c）。接下来，研究人员向DAT-CreER小鼠的VTA脑区注射光激活型敏感通道蛋白载体（AAV-DIO-ChR2），并使其特异地表达在DAVTA神经元上（图1 d）。他们结合膜片钳和光遗传学技术研究发现，在473nm蓝光激活DRN脑区多巴胺神经元纤维投射后，可以对5-HTDRN神经元产生截然不同的两种调节作用。一方面，低频率（2Hz）蓝光刺激可以通过DRD2受体抑制5-HTDRN神经元的活性； 另一方面，高频率（10-30Hz）蓝光则可以通过DRD1受体激活5-HTDRN神经元（图1 e-j）。这部分研究证明了DAVTA神经元→5-HTDRN神经元的双向调控作用。
图1 DAVTA神经元→5-HTDRN神经元的双向调控作用
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci 2022）
为了进一步研究DRD2或DRD1受体介导的DAVTA→5-HTDRN神经元环路对小鼠进食的影响，研究人员向DAT-CreER小鼠的VTA脑区注射病毒AAV-DIO-ChR2，并在下游的DRN脑区埋入光导纤维（图2 a）。在该实验条件下，ChR2能够表达在DAVTA神经元及其下游神经纤维中，直接作用于DRN脑区的光刺激能够特异性地激活 DAVTA→5-HTDRN神经环路。实验如图所示 （图 2 b-e），低频率（2Hz）蓝光刺激可以通过DRD2受体增加进食，但是高频率（20Hz）蓝光则可以通过DRD1受体抑制食欲。这一部分研究验证了DAVTA→5-HTDRN神经环路对小鼠食欲的双向调节功能。另外，研究团队在条件偏好实验中发现高频率（20Hz）蓝光刺激DAVTA→5-HTDRN神经环路能使小鼠产生强烈的偏好从而对抗饥饿（图 2 f,g）。以上结果表明：DAVTA神经元→5-HTDRN神经元能双向调控影响小鼠进食。
图2 DAVTA神经元→5-HTDRN神经元的双向调控作用影响小鼠进食
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci, 2022）
接下来，研究人员使用光纤记录系统记录了在神经性厌食症小鼠模型（Activity based anorexia, ABA）和对照组小鼠的饥饿和采食过程中投射到DRN的多巴胺神经元的钙离子信号和DRN脑区的多巴胺信号。结果显示，对照组中钙信号及多巴胺信号在禁食后显著升高而随着采食时间延长而逐渐降低。有趣的是，相对于对照组，神经性厌食症小鼠中这两种信号都一直维持较高的活性（图3 a-h）。研究团队接着使用化学遗传学选择性抑制DAVTA→5-HTDRN神经环路，发现可以部分逆转厌食症状，同时提高小鼠在神经性厌食症模型中的生存率（图3 i-m）。这一系列结果揭示，DAVTA→5-HTDRN神经环路能够有效参与调控神经性厌食症。
图3 在神经性厌食症小鼠中投射到DRN的DAVTA神经元过度激活
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci, 2022）
随后，为了更深入地探索多巴胺受体DRD1在介导DAVTA→5-HTDRN神经环路对神经性厌食症的调控作用，研究团队还利用转基因小鼠进一步将5-HTDRN神经元上的DRD1受体特异性敲除，他们发现在敲除5-HTDRN神经元表达的DRD1受体后，神经性厌食症小鼠的厌食症状显著减轻（图4 e-j）；小鼠腹腔注射DRD1拮抗剂SCH23390也能增加进食和生存率，减少体重降低和运动量，从而改善神经性厌食症小鼠的厌食症状（图4 k-n）。这一部分研究证明5-HTDRN神经元上的DRD1能调控神经性厌食症小鼠症状。
图4 多巴胺受体DRD1调控神经性厌食症
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci, 2022）
最后，研究人员研究了多巴胺受体DRD2对神经性厌食症的调控作用。他们利用转基因小鼠进一步将5-HTDRN神经元上的DRD2特异性敲除，发现小鼠体重显著减轻、进食减少（图5 i-k），从而更易产生厌食症状，但是对神经性厌食症的病程没有产生显著影响（图5 e-h）。这一结果证明：5-HTDRN神经元上的DRD2能抑制厌食症状。
图5 多巴胺受体DRD2对神经性厌食症的影响
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci 2022）
图6 文章总结图：正常小鼠DAVTA释放低浓度的多巴胺神经递质，通过表达在5-HTDRN神经元突触后膜上的DRD2受体抑制5-HTDRN神经元活性，进而促进采食；在神经性厌食症小鼠模型（ABA）中，DAVTA释放高浓度的多巴胺神经递质，通过表达在5-HTDRN神经元突触后膜上的DRD1受体激活5-HTDRN神经元活性，进而抑制采食。
（图源：Xing Cai, et al., Nat Neurosci, 2022）
当然， 这项研究还有一些未解答的科学问题。比如说DRN脑区还存在谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸能神经元，而VTA脑区也存在能直接投射到5-HTDRN神经元的γ-氨基丁酸能神经元[7]，这些神经元如何参与VTA→DRN神经环路，通过什么机制来参与进食等行为的调控，还有待进一步研究。
原文链接： https://www.nature.com/articles/s41593-022-01062-0
贝勒医学院蔡星博士（现为中国科学院昆明动物研究所助理研究员）和刘海兰博士为本文的共同第一作者，路易斯安那州立大学潘宁顿生物医学研究中心的何彦林教授和贝勒医学院的徐勇教授为本文共同通讯作者，其他参与研究者包括贝勒医学院王春梅博士、吴琦博士，伊利诺伊大学芝加哥分校徐平稳博士，德州州立大学健康研究中心休斯顿校区（UT Health Science Center at Houston）童青春博士等。
蔡星（左一），刘海兰（左二），何彦林（右二），徐勇（右一）
（照片提供自：何彦林/徐勇团队）
徐勇教授（yongx@bcm.edu）课题组欢迎博士后、访问学者和交流学生，课题组网站介绍如下：https://www.bcm.edu/people-search/yong-xu-33470
何彦林博士（Yanlin.He@pbrc.edu）课题组招收博士后和访问学者，课题组网站介绍如下：https://www.pbrc.edu/research-and-faculty/faculty/He-Yanlin-PhD.aspx
蔡星博士（caixing@mail.kiz.ac.cn）所在中科院昆明动物所课题组招收硕士和博士研究生，课题组网站介绍如下：http://sourcedb.kiz.cas.cn/zw/zjrc/201907/t20190703_5332056.html
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制版︱查佳雪
本文完