Neurobiol Dis︱李晨/李伟研究团队揭示IC→PVT→BNST神经环路调节焦虑症发病的敏感性

撰文︱李   晨，赵   娣

责编︱王思珍，方以一

编辑︱夏   叶

焦虑症是最普遍的精神障碍之一，严重影响患者生活质量，同时也带来了严重的社会和经济负担。尤其是2019年新型冠状病毒疫情爆发之后，焦虑症的发病率激增[1, 2]。外界压力应激是导致焦虑产生的关键诱因，神经元环路功能异常是焦虑症等情绪障碍疾病发病的重要病因[3, 4]，而对外界应激的不同反应性往往决定了焦虑症的发病与否。但是影响焦虑症发病敏感性的神经环路机理尚不明确，有待深入挖掘和探究。

近日，来自滨州医学院附属医院李晨/李伟研究团队在Neurobiology of Disease上发表了题为“The altered sensitivity of acute stress induced anxiety-related behaviors by modulating insular cortex-paraventricular thalamus-bed nucleus of the stria terminalis neural circuit”的研究论文[5]，揭示了新的焦虑症神经环路致病机制。该研究发现室旁丘脑（paraventricular thalamus, PVT）的谷氨酸能神经元具有接收上游岛叶皮层（insular cortex, IC）的谷氨酸能神经元兴奋性神经传入，并且具有向终纹床核（bed nucleus of the stria terminalis, BNST）的谷氨酸能神经元兴奋性神经传出。阐明了IC→PVT→BNST神经环路对束缚应激诱导的小鼠焦虑行为敏感性的调控作用。提示IC→PVT→BNST神经环路或核团可成为焦虑症干预治疗的新靶点。

PVT主要由谷氨酸能神经元组成[6]，其能被各种应激持续激活，表明PVT可能是外界应激重要的感应核团[7, 8]。利用c-fos免疫荧光染色和全细胞膜片钳电生理记录方法，作者观察到长时程束缚应激（2小时）致焦虑小鼠PVT谷氨酸能神经元被显著激活（图1B）、兴奋性明显增加（图1C）。此结果提示PVT谷氨酸能神经元可能与焦虑症的发病密切相关。

图1 慢性束缚诱导的焦虑状态导致PVT神经元激活
（图源：Di Zhao, et al., Neurobiol Dis, 2022）

脑内神经核团往往与其他核团形成神经连接而发挥功能。据此，作者利用神经元投射追踪技术发掘PVT的上游和下游神经连接核团。首先，作者在CaMKIIα-Cre小鼠PVT脑区注射AAV2/9-hSyn-DIO-hChR2-mCherry-WPRE-pA病毒，发现PVT具有向伏隔核（nucleus accumbens，NAc）、终纹床核（bed nucleus of the stria terminalis，BNST）和中杏仁核中央核（central nucleus of the amygdala，CeA）强大的正向神经纤维投射（图2A）。在WT小鼠BNST注射逆行病毒AAV2/Retro-CAG-GFP，发现在PVT脑区存在绿色荧光神经元胞体，并且与兴奋性神经元标记蛋白CaMKII存在共存的情况（图2B）。然后，作者在Ai14-tdTomato小鼠PVT脑区注射正向单跨膜病毒AAV2/9-hSyn-Cre，发现在BNST脑区可以看到表达红色荧光神经元（图2C）。上述研究表明PVT谷氨酸神经元与BNST脑区神经元形成正向突触连接。

图2 PVT到BNST的神经投射

（图源：Di Zhao, et al., Neurobiol Dis, 2022）

作者在CaMKIIα-Cre小鼠PVT脑区注射逆向投射追踪的AAV2/Retro-CAG-Cre-GFP病毒，发现岛叶皮层（insular cortex，IC），以及在已有文献报道中记载的前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）[9]和海马腹侧下托（ventral subiculum of hippocampus，vSub）[10]区域发现了存在明显的绿色神经元胞体。并且与兴奋性神经元标记蛋白CaMKII存在共存的情况（图3A）。在CaMKIIα-Cre小鼠IC脑区注射AAV2/9-hSyn-DIO-hChR2-mCherry-WPRE-pA病毒，发现IC具有向PVT大量的正向神经纤维投射（图3B）。然后，作者在WT小鼠IC脑区注射正向单跨膜病毒AAV2/9-hSyn-Cre，在PVT脑区注射AAV2/9-DIO-GFP，发现在PVT脑区可以看到表达绿色荧光神经元（图3C），在BNST脑区发现大量的绿色神经纤维。以上研究表明IC谷氨酸能神经元与PVT脑区谷氨酸能神经元形成正向突触连接。

图3 IC经PVT到BNST的神经投射

（图源：Di Zhao, et al., Neurobiol Dis, 2022）

在明确IC→PVT→BNST神经投射连接后，此研究进一步验证此神经环路对焦虑症发病敏感性的调控。作者通过化学遗传学方法探究操纵IC脑区神经元的活性是否影响焦虑行为，以及下游投射脑区在其中发挥的作用。作者在WT小鼠IC脑区混合注射AAV2/1-hSyn-Cre和AAV2/9-hSyn-DIO-human Gq-coupled M3 muscarinic receptor (hM3D(Gq))-mCherry病毒（图4A），并给予小鼠短时程阈下应激（30分钟束缚）（图4B），发现激活IC谷氨酸神经元可诱导雄性小鼠产生在开放臂时间和进入次数降低（图4C），展现为小鼠焦虑状态的复现，而通过PVT脑区注射AAV2/9-CMV-DIO-taCasp3-TEVp-GFP介导神经元损毁后，研究发现激活IC谷氨酸神经元诱导的小鼠在开放臂时间和进入次数降低的焦虑行为消失（图4C），这些研究结果证明与IC形成突触连接的PVT神经元介导了IC神经元对焦虑症发病敏感性的调控。

图4 IC-PVT神经投射对焦虑行为敏感性的影响

（图源：Di Zhao, et al., Neurobiol Dis, 2022）

与此同时，作者用同样的策略在WT小鼠PVT脑区混合注射AAV2/1-hSyn-Cre和AAV2/9-hSyn-DIO-human Gq-coupled M3 muscarinic receptor (hM3D(Gq))-mCherry病毒（图5A, B），发现激活PVT谷氨酸神经元可诱导小鼠产生在开放臂时间和进入次数降低的抑郁表型（图5C），而通过AAV2/9-CMV-DIO-taCasp3-TEVp-GFP病毒损毁BNST脑区神经元能阻滞激活PVT谷氨酸神经元诱导的小鼠焦虑行为（图5C），表明与PVT形成突触连接的BNST神经元介导了IC神经元对焦虑症发病敏感性的影响。

图5 PVT-BNST神经投射对焦虑行为敏感性的影响

（图源：Di Zhao, et al., Neurobiol Dis, 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、神经电生理、神经元追踪及损毁等多种手段，揭示了岛叶皮层（IC）→旁丘脑（PVT）→终纹床核（ BNST）神经环路与焦虑症发病敏感性之间潜在的因果关系，证明了特定神经环路功能异常或紊乱能够影响焦虑症的致病性，同时为应激反应的神经环路机制在焦虑症病因中的作用研究提供了证据。此外，这项研究还存在一些有待解决的问题，例如：该研究并没有直接阐明IC→PVT→BNST神经环路调节焦虑症发病敏感性的分子机制，仅揭示了其行为学表象，此问题也是目前精神疾病神经环路研究亟待解决关键问题，后续仍然需要单细胞测序、基因表达调控等实验确定影响此环路功能的机制。另外，IC、PVT和BNST脑区存在众多的亚区，具体这些亚区之间的联系和调控也需要进一步的研究。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nbd.2022.105890

赵娣、王丹为论文共同第一作者，李晨教授、李伟教授为论文共同通讯作者。本研究受国家自然科学基金（82171521）、山东省自然科学基金 (ZR2021MH073、ZR2019PH109)、山东省医药卫生科技发展计划(202003090720; 202003070728, 2019WS329)等多个项目的联合资助。

第一作者：赵娣（左一），王丹（左二）；通讯作者：李伟（右二），李晨（右一）

（照片提供自：李晨/李伟团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读）

李晨，美国佐治亚医学院博士后，滨州医学院附属医院教授，硕士生导师。山东省优秀青年基金获得者，渤海英才杰出贡献专家。主要从事抑郁症、焦虑症的致病机制和靶向基因治疗的基础和临床研究。主持国家自然科学基金和山东省自然科学基金项目4项。在Nature子刊Molecular Psychiatry、Neurobiology of Disease等期刊上发表研究论文30余篇，目前担任Acta Neuropathologica Communications、Psychoneuroendocrinology及Animal Models and Experimental Medicine等多个学术期刊的编委或审稿人。

李伟，首都医科大学博士，中国人民解放军总医院（301医院）博士后，滨州医学院附属医院教授、硕士生导师，康复医学科主任，中国康复医学会科技管理与评估委员会委员，国家康复医学专家库成员，2022冬奥会中国国家队医疗保障专家。主要从事骨科、运动损伤相关疾病及神经康复的临床诊疗及研究工作。主持及参与科技部重大项目、国家级及省部级课题多项，发表论文20余篇。担任Journal of Neural Engineering、Journal of Orthopaedic Surgery and Research和Orthopaedic Surgery期刊审稿专家。

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参考文献（上下滑动阅读） 

1. Elbay, R.Y., et al., Depression, anxiety, stress levels of physicians and associated factors in Covid-19 pandemics. Psychiatry Res, 2020. 290: p. 113130.

2. Wang, J., et al., Prevalence and associated factors of anxiety among 538,500 Chinese students during the outbreak of COVID-19: A web-based cross-sectional study. Psychiatry Res, 2021. 305: p. 114251.

3. Tovote, P., J.P. Fadok, and A.J.N.R.N. Lüthi, Neuronal circuits for fear and anxiety. 2015. 16(6): p. 317-331.

4. Calhoon, G.G. and K.M.J.N.n. Tye, Resolving the neural circuits of anxiety. 2015. 18(10): p. 1394-1404.

5. Zhao, D., et al., The altered sensitivity of acute stress induced anxiety-related behaviors by modulating insular cortex-paraventricular thalamus-bed nucleus of the stria terminalis neural circuit. Neurobiol Dis, 2022. 174: p. 105890.

6. Kirouac, G.J., Placing the paraventricular nucleus of the thalamus within the brain circuits that control behavior. Neurosci Biobehav Rev, 2015. 56: p. 315-29.

7. Hsu, D.T., et al., Contributions of the paraventricular thalamic nucleus in the regulation of stress, motivation, and mood. Front Behav Neurosci, 2014. 8: p. 73.

8. Zhao, D., et al., The paraventricular thalamus input to central amygdala controls depression-related behaviors. Exp Neurol, 2021. 342: p. 113744.9. Yamamuro, K., et al., A prefrontal–paraventricular thalamus circuit requires juvenile social experience to regulate adult sociability in mice. 2020. 23(10): p. 1240-1252.

10. Li, S., G.J.J.B.S. Kirouac, and Function, Sources of inputs to the anterior and posterior aspects of the paraventricular nucleus of the thalamus. 2012. 217(2): p. 257-273.

本文完