NPP︱徐运课题组揭示前额叶皮层小清蛋白阳性中间神经元在阿尔茨海默病早期情绪障碍调控中发挥重要作用

撰文︱舒   姝

责编︱王思珍，方以一

编辑︱夏   叶

阿尔茨海默病（AD）是一种起病隐匿、持续性进展的常见神经退行性疾病。认知功能障碍是AD最典型的特征之一，通常最初表现为临床前阶段的短期记忆受损，之后随着病程发展逐渐表现出严重的长期记忆衰退。此外，越来越多的证据表明，抑郁与AD密切相关，在临床前AD中常观察到患者具有抑郁样表型[1]，但抑郁症状是AD的危险因素还是AD的早期特征目前尚存在争议。前额叶皮层（PFC）是与情绪和认知功能密切相关的脑区，PFC功能障碍参与了AD的进展。然而AD发展的早期PFC内部微环路是否受损及其受损的机制尚不清楚。

大脑内部兴奋性和抑制性网络之间的平衡（E/I平衡）被认为是大脑实现正常生理功能的先决条件。目前的研究表明，由于谷氨酸能和γ-氨基丁酸（GABA）能突触输入的不稳定性，即E/I失衡，是AD大脑功能障碍的重要原因[2]。小清蛋白阳性的中间神经元（PV⁺ INs）约占大脑皮层GABA能中间神经元的40%，PV+ INs通过突触投射向锥体神经元直接控制锥体神经元的放电，从而调控脑区内部的E/I平衡以及向下游脑区的兴奋性投射[3]。但PFC中GABA能INs，特别是PV+ INs在AD早期情绪和认知功能障碍的作用仍不明确。

2022年10月13日，南京大学医学院附属鼓楼医院的徐运教授团队在Neuropsychopharmacology（NPP）上发表了题为“Prefrontal parvalbumin interneurons deficits mediate early emotional dysfunction in Alzheimer's disease”的研究论文，提出PFC脑区PV⁺ INs在AD早期情绪障碍调控中发挥重要作用。舒姝博士和博士生徐思异为论文共同第一作者，徐运教授为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现AD早期PFC中的PV⁺ INs兴奋性和数量受损导致PFC的GABA传递缺陷、E/I失衡和微环路受损，从而导致AD早期短期工作记忆损害和抑郁样行为，挽救PV⁺ INs活性能有效改善AD早期的认知和情绪功能损害。

该研究以9-11周龄的APP/PS1小鼠作为AD早期模型小鼠（后简称APP小鼠）。作者在行为学检测中发现， 相对于同窝对照小鼠，APP小鼠在Y迷宫中进入各个臂的自发交替百分比显著下降，筑巢实验中筑巢评分显著降低，悬尾实验中不动时间显著增加，糖水偏好实验中糖水摄入量百分比显著降低（图1A-G）。以上结果表明，AD早期小鼠表现出工作记忆障碍和抑郁样行为。随后，作者通过在体多通道记录检测了APP小鼠在Y迷宫中运动时PFC脑区的局部场电位（LFP）及锥体神经元尖峰放电单元（spike）发放水平（图1H-J）。实验结果显示，相较于位于臂区域，野生型同窝对照小鼠进入中心区域时PFC脑区LFP功率以及spike发放速率均显著降低（图1K,L,N-P），即在正常对照小鼠选择进入下一个臂时脑区存在必要的兴奋性沉默。然而，APP小鼠在Y迷宫中心区域进行选择时，PFC脑区LFP的功率及spike发放频率与在臂区域无显著差异（图1K,M,N-P）。以上结果表明，在短期记忆任务期间，AD早期小鼠PFC脑区及脑区内锥体神经元活性的必要性沉默受损。

图1 AD早期小鼠表现出短期记忆障碍和抑郁样行为并且PFC脑区在短期工作记忆任务中必要的兴奋性沉默受损。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

随后，作者检测了小鼠在其饲养笼内自由活动时PFC脑区锥体神经元spike发放水平（图2A-C）。结果表明，与对照相比，APP小鼠PFC中锥体神经元的放电频率明显增加。随后，作者在体外PFC脑片上进行了电生理验证（图2D-K）。结果显示，与同窝对照小鼠相比，APP小鼠PFC第II/III层锥体神经元网络兴奋性水平显著增加（图2D-H），而固有兴奋性未发生显著改变（图2I-L）。此外，作者通过检测eEPSC和eIPSC并计算幅值比率反应PFC脑区E/I平衡水平。实验结果显示，与同窝对照小鼠相比，APP小鼠的E/I比率升高（图2M和N）。这些结果表明，AD早期小鼠PFC脑区的E/I平衡紊乱，锥体神经元网络兴奋性显著增加而固有兴奋性未发生明显变化。

图2 AD早期小鼠PFC脑区锥体神经元网络兴奋性增加且PFC脑区E/I平衡紊乱。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

由于这种E/I失衡可能是由于兴奋性输入增加，抑制性输入减少或两者兼而有之，作者对APP小鼠兴奋性和抑制性递质传递分别进行了检测。结果显示，APP小鼠和对照同窝小鼠PFC锥体神经元中的微小兴奋性突触后电流（mEPSCs）的频率和幅度相似（图3A-D），表明PFC谷氨酸能传递未发生显著变化；而微小抑制性突触后电流（mIPSCs）发放频率显著降低，幅度未发生明显改变（图4A-D）。与此相一致的是，APP小鼠组的成对脉冲比（PPR）显著增加（图4E和F），表明突触前GABA递质释放减少。此外，作者通过微透析收集了小鼠PFC间质液体样品，检测了谷氨酸和GABA浓度（图4G）。结果表明APP小鼠PFC中GABA释放水平显著降低但谷氨酸释放水平未发生明显变化（图4H和I），即与电生理结果相一致。以上证据表明AD早期小鼠PFC脑区的GABA递质传递显著受损。

图3 AD早期小鼠的PFC中谷氨酸能递质传递正常。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

图4 AD早期小鼠PFC脑区的GABA能递质传递减少。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

既往研究表明，GABA能INs的抑制性突触末端释放GABA到锥体神经元突触后膜上，GABA能INs的缺失会导致GABA传递减少[4]。生长抑素阳性中间神经元（SOM⁺ INs）和PV⁺ INs是PFC最主要的两类INs[5]。因此，作者通过免疫荧光染色检测这两类INs在PFC中的数量是否发生改变。结果显示，APP小鼠中PFC中PV⁺ INs的数量显著减少，而SOM⁺ INs未发生显著改变（图5A-F）。之后作者对PFC脑区PV⁺ INs进行了体外电生理检测（图5G-K）。实验结果显示，APP小鼠和同窝对照小鼠的输入电阻类似（图5G），但静息膜电位（RMP）和动作电位（AP）发放频率明显降低（图5H和K），诱发AP输入电流的阈值显著增高（图5J）。这些结果表明，AD早期小鼠PFC中PV⁺ INs数量和活性均降低。

图5 AD早期小鼠PFC脑区PV⁺ INs数量和活性均降低。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

为了探究PFC脑区PV⁺ INs数量减少及活性降低是否是导致APP小鼠短期记忆缺陷和抑郁样行为的关键，作者利用光遗传学和化学遗传学对AD小鼠PFC残存的PV⁺ INs分别进行了活性干预并观察其对小鼠行为表型的影响。行为学结果显示，光遗传学或化学遗传学激活PFC中PV⁺ INs能够有效挽救AD小鼠的工作记忆障碍和抑郁样行为（图6）。以上研究结果表明，增加PFC中PV⁺ INs活性能够有效挽救AD早期小鼠短期空间记忆损害并改善小鼠的抑郁样行为。

图6 通过光遗传学或化学遗传学增加PV⁺ INs活性能够挽救AD小鼠短期空间记忆并改善抑郁样行为。

（图源：Shu Shu, et al., NPP, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究结合行为学、在体多通道、离体膜片钳、光遗传学和化学遗传学等多种技术方法，揭示了情绪和短期认知功能障碍发生在AD的早期阶段，且这些功能障碍与PFC脑区PV⁺ INs缺陷引起GABA能神经递质传递障碍和PFC脑区E/I失衡密切相关，挽救PFC脑区PV⁺ INs活性能够有效改善AD早期的认知和情绪功能损害。PV⁺ INs缺陷被认为是AD晚期GABA能传递障碍的原因之一[6,7]，而该项研究结果表明PFC中PV⁺ INs缺陷可能是AD病程发展中最早的事件之一，这比包括海马在内的其他大脑区域的PV⁺ INs受损要早得多[8]。这些发现为早期AD的诊断和治疗提供了潜在的靶点和方向。值得指出的是当前研究表明PFC脑区微环路在AD的早期阶段功能受损，而这种微环路受损是否会影响PFC对其他脑区的投射仍不清楚，需要进一步研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41386-022-01435-w

通讯作者：徐运教授

（照片提供自：徐运教授团队）

通讯作者及实验室简介（上下滑动阅读）

徐运，主任医师、教授、博士生导师、国务院政府特殊津贴专家、首席科学家、中国杰出神经内科医师，江苏省优秀医学领军人才。南京鼓楼医院神经内科行政主任、国家临床重点专科（神经病学）学科带头人、江苏省神经内科临床重点专科和神经病学重点学科带头人、南京大学脑重大疾病转化医学研究所所长等。曾在德国海德堡大学、美国霍普金斯大学留学。长期致力于AD和脑血管病的基础和临床研究。主持国家、省部级科研项目30多项。其中牵头 “脑科学与类脑研究”重大项目1项、国自然基金重点项目3项、国际合作1项、江苏省科技厅医学重点项目3项等。获省部级科技一、二等奖5项。发明专利10项。主编和参编论著12部，副主编和参编教材5部。主笔和参编神经系统疾病诊疗指南30余部。发表论文300余篇，通讯SCI文章202篇，H因子45。发表在PNAS，Stroke，Brain Behav Immun，Mol Endocrinol，JCBFM， Aging Cell，J Neuroinflammation, NPP等高水平杂志上，入选2020年、2021年“中国高被引学者”，为最具全球影响力的中国学者。

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Dafsari FS, Jessen F. Depression-an underrecognized target for prevention of dementia in Alzheimer's disease. Translational psychiatry. 2020;10(1):160.

[2] Styr B, Slutsky I. Imbalance between firing homeostasis and synaptic plasticity drives early-phase Alzheimer's disease. Nature neuroscience. 2018;21(4):463-73.

[3] Hu H, Gan J, Jonas P. Interneurons. Fast-spiking, parvalbumin⁺ GABAergic interneurons: from cellular design to microcircuit function. Science (New York, NY). 2014;345(6196):1255263.

[4] Ghosal S, Hare B, Duman RS. Prefrontal Cortex GABAergic Deficits and Circuit Dysfunction in the Pathophysiology and Treatment of Chronic Stress and Depression. Current opinion in behavioral sciences. 2017;14:1-8.

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本文完