Cell Reports︱美国德州农工大学王军团队揭示纹状体m-阿片受体激活会触发直接通路GABA能可塑性并诱导负面情绪

撰文︱王为，谢学毅，王军

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

阿片类药物（opioids）主要用于镇痛，但长期使用往往会导致成瘾[1]。由于对阿片类药物诱发的神经可塑性尚不完全了解，阿片类药物使用障碍(opioid use disorder, OUD)的治疗方案受到限制。阿片类药物使用障碍主要由m-阿片受体(m-opioid receptors，MORs)介导[1,2]。m-阿片受体密集表达于中脑和纹状体(striatum)[3, 4]。阿片类药物的成瘾作用通过激活中脑GABA能中间神经元中的m-阿片受体来介导的[5]，从而导致多巴胺(dopamine，DA)神经元的去抑制而增加纹状体多巴胺的释放，加强药物寻求和使用行为[6]。

阿片类药物也直接作用于纹状体中的m-阿片受体[7]。纹状体的中型多棘神经元(medium spiny neurons，MSNs)位于直接通路(direct pathway，dMSNs，直接通路中型多棘神经元)或间接通路(indirect pathway，iMSNs，间接通路中型多棘神经)。直接通路中型多棘神经元投射到脚内核(entopeduncular nucleus，EP)、网状部黑质(substantia nigra pars reticulata, SNr)和致密部(pars compacta，SNc)，而间接通路中型多棘神经投射到苍白球外侧部(globus pallidus external, GPe) [8, 9]。纹状体包括神经化学上定义的斑块区（patches）和周围的基质区（matrix）[10] 。斑块区表达丰富的m-阿片受体，含有更多的直接通路中型多棘神经元而不是间接通路中型多棘神经元 [11, 12]。

在奖赏学习中，投射到外侧缰核（lateral habenula，LHb）的苍白球(GPh) 神经元在药物戒断过程中介导负性情绪 [13, 14]。在神经精神性疾病中，斑块区对情感和动机过程至关重要[15, 16]。一组特定的斑块区直接通路中型多棘神经元编码厌恶反应并驱动负性强化[17]。斑块区直接通路中型多棘神经元与黑质致密部多巴胺神经元形成单突触连接[18, 19]。阿片类药物戒断会增加对厌恶刺激的敏感性。这种诱导复发的消极情绪状态与慢性阿片类药物使用戒断后的低多巴胺活性有关[20]。因此，斑块区作为阿片类药物在纹状体的直接靶点，可能介导药物强化和复发。然而，目前尚不清楚慢性阿片类药物摄入如何改变斑块区直接通路中型多棘神经元的活性或其对脚内核和黑质致密部传出通路的影响。

2023年2月15日，美国德州农工大学（Texas A&M University）的王军（Jun Wang）教授课题组在《细胞报道》（Cell Reports）上发表了题为 “Striatal μ-opioid receptor activation triggers direct-pathway GABAergic plasticity and induces negative affect” 的研究论文。作者发现长期使用阿片类药物会招募纹状体直接通路中型多棘神经元，增强其向投射到缰核的苍白球和黑质致密部多巴胺能神经元的GABA能传递。这种增强的GABA能可塑性抑制多巴胺能活性，并引起戒断诱导的负面影响。王为和谢学毅为论文共同第一作者，王军教授为论文通讯作者。（拓展阅读：王军课题组相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：JCI︱王军课题组揭示了长期饮酒导致认知灵活性受损的机制）

通过行为学研究，作者发现每天摄入吗啡会增加小鼠的自主活动（图1 B, C）。电生理实验表明，长期使用吗啡后截断1-3天, 会增强纹状体GABA释放（图1 E, B），从而增强直接通路中型多棘神经元到苍白球的GABA能突触传递（图1 D）。此外，反复注射吗啡会使m-阿片受体介导的该突触传递脱敏（图1 G）。

图1反复注射吗啡可增强纹状体à投射到缰核的苍白球神经元GABA能的传递。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

此外，长期注射芬太尼也能显著增加小鼠的自发活动（图2A-D）。使用ArcTRAP小鼠，作者发现反复摄入芬太尼会激活纹状体直接通路中型多棘神经元（图2E-R），这可能是芬太尼诱发运动亢进的原因。芬太尼组呈现更高的条件性位置偏爱（conditioned place preference, CPP）分数，抑制这些被标记的场景激活的纹状体神经元显著抑制了芬太尼诱导的高CPP分数 （图2S-X），这可能表明芬太尼场景记忆检索需要条件标记纹状体神经元。

图2 芬太尼给药激活纹状体直接通路中型多棘神经元介导CPP。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

进行芬太尼静脉自身给药（intravenous self-administration, IVSA）的小鼠对芬太尼的寻求明显高于自身给生理盐水的小鼠(图3A，B)。芬太尼IVSA戒断后1-3天，电生理实验显示直接通路中型多棘神经元活性à投射到缰核的苍白球神经元GABA能传递增强。

图3 芬太尼IVSA增强直接通路中型多棘神经元活性和纹状体à投射到缰核的苍白球神经元的GABA能传递。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

直接通路中型多棘神经元主要在斑片区表达m-阿片受体,很少在基质区表达（图4B，C）。利用MOR-Cre;Ai32 小鼠，光遗传学激活包含m-阿片受体的神经元，研究者发现,芬太尼IVSA戒断组斑片区神经元的光诱发的抑制性突触后电流（oIPSC）显著性高于生理盐水组（图4D-H）。这是由于突触前GABA释放增加（图4I, J）。芬太尼IVSA未改变基质区神经元oIPSC （图4M-O）。

图4 芬太尼IVSA增强了DMS中斑块区神经元的GABA能传递。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

此外，芬太尼IVSA停药1-3天后,突触前GABA释放增加（图5E, F），显著增强了直接通路中型多棘神经元到黑质致密部多巴胺神经元的GABA传递(图5D)。这加强了它们对多巴胺神经元自发放电的抑制，从而降低了这些神经元的基线放电率（图5G-I）。

图5 芬太尼IVSA增强从纹状体直接通路中型多棘神经元到黑质致密部多巴胺神经元的GABA能传递。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

最后，作者通过行为学实验发现,芬太尼处理的小鼠表现出比生理盐水对照组更高的戒断评分，抑制纹状体包含m-阿片受体的神经元可以消除这种戒断评分(图6E, F)。芬太尼注射后2-3天，小鼠出现焦虑样行为，抑制纹状体包含m-阿片受体的神经元可以缓解这种焦虑样行为（图6G-I）。

图6 抑制纹状体包含m-阿片受体的神经元减轻芬太尼戒断诱导的身体症状和负面影响。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

图7长期芬太尼摄入对纹状体直接通路中型多棘神经元à投射到缰核的苍白球,和直接通路中型多棘神经元à黑质致密部多巴胺神经元，以及行为学的影响示意图。

（图源：Wanget al., Cell Reports, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究结果表明，与急性m-阿片受体激活相比，反复摄入吗啡或芬太尼增强了直接通路中型多棘神经元à投射到缰核的苍白球的传递。芬太尼募集了编码芬太尼相关情景记忆的纹状体直接通路中型多棘神经元。此外，芬太尼自发静脉注射增强了纹状体斑块区内的GABA能传递。芬太尼自发静脉注射还增强了直接通路中型多棘神经元à黑质致密部的GABA传递，从而抑制了黑质致密部的多巴胺神经元放电。值得注意的是，抑制纹状体包含m-阿片受体神经元可减轻急性芬太尼戒断期间的身体症状和焦虑样反应（图5）。这些数据表明，反复使用阿片类药物增强了纹状体à苍白球和纹状体à黑质的GABA能传递，导致多巴胺活性降低，这可能是急性阿片类药物戒断时焦虑样行为的机制之一（图7）。这些结果为阿片类药物诱导的负面情绪状态驱动复吸的机制提供了有价值的见解。

虽然作者检测了芬太尼激活的纹状体神经元，但我们没有检测特定的细胞类型。因为纹状体神经元是异质性的，在药物相关行为中发挥不同的作用，目前尚不清楚各种细胞类型是如何促成这些行为的。虽然作者展示了纹状体斑块区和芬太尼戒断引起的负面情绪之间的因果关系，但我们的化学遗传学操作并不是针对斑块区à黑质致密部回路。此外，中脑多巴胺能神经元支配纹状体和外侧缰核，这使得研究斑块区à黑质致密部环路在芬太尼戒断诱发负性情绪中的作用变得复杂。未来的研究方向将是研究这些直接和反馈回路如何同时工作，介导阿片类药物相关的行为和负面情绪。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112089 

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[1] Volkow, N.D., Jones, E.B., Einstein, E.B., and Wargo, E.M. (2019). Prevention and treatment of opioid misuse and addiction A review. JAMA Psychiatr. 76, 208–216. https://doi.org/10.1001/jamapsychiatry.2018.3126.[2] Matthes, H.W., Maldonado, R., Simonin, F., Valverde, O., Slowe, S., Kitchen, I., Befort, K., Dierich, A., Le Meur, M., Dolle´ , P., et al. (1996). Loss of morphine-induced analgesia, reward effect and withdrawal symptoms in mice lacking the mu-opioid-receptor gene. Nature 383, 819–823. https://doi.org/10.1038/383819a0.[3] George, S.R., Zastawny, R.L., Brionesurbina, R., Cheng, R., Nguyen, T., Heiber, M., Kouvelas, A., Chan, A.S., and Odowd, B.F. (1994). Distinct distributions of mu, delta and kappa opioid receptor messenger-Rna in rat-brain. Biochem. Biophys. Res. Commun. 205, 1438–1444. https://doi.org/10.1006/bbrc.1994.2826.[4] Bailly, J., Del Rossi, N., Runtz, L., Li, J.J., Park, D., Scherrer, G., Tanti, A., Birling, M.C., Darcq, E., and Kieffer, B.L. (2020). Targeting morphine-responsive neurons: generation of a knock-in mouse line expressing Cre recombinase from the mu-opioid receptor gene locus. eNeuro 7, ENEURO.0433-19.2020. https://doi.org/10.1523/ENEURO. 0433-19.2020.[5] Johnson, S.W., and North, R.A. (1992). Opioids excite dopamine neurons by hyperpolarization of local interneurons. J. Neurosci. 12, 483–488. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.12-02-00483.1992.[6] Di Chiara, G., and Imperato, A. (1988). Drugs abused by humans preferentially increase synaptic dopamine concentrations in the mesolimbic system of freely moving rats. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 5274–5278. https://doi.org/10.1073/pnas.85.14.5274.[7] Jiang, Z.G., and North, R.A. (1992). Pre- and postsynaptic inhibition by opioids in rat striatum. J. Neurosci. 12, 356–361. https://doi.org/10. 1523/JNEUROSCI.12-01-00356.1992.[8] Cheng, Y., Huang, C.C.Y., Ma, T., Wei, X., Wang, X., Lu, J., and Wang, J. (2017). Distinct synaptic strengthening of the striatal direct and indirect pathways drives alcohol consumption. Biol. Psychiatr. 81, 918–929. https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2016.05.016.[9] Gerfen, C.R., and Surmeier, D.J. (2011). Modulation of striatal projection systems by dopamine. Annu. Rev. Neurosci. 34, 441–466. https://doi. org/10.1146/annurev-neuro-061010-113641.[10] Bolam, J.P., Izzo, P.N., and Graybiel, A.M. (1988). Cellular substrate of the histochemically defined striosome/matrix system of the caudate nucleus: a combined Golgi and immunocytochemical study in cat and ferret. Neuroscience 24, 853–875. https://doi.org/10.1016/0306-4522(88)90073-5.[11] Graybiel, A.M., and Ragsdale, C.W., Jr. (1978). Histochemically distinct compartments in the striatum of human, monkeys, and cat demonstrated by acetylthiocholinesterase staining. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 75, 5723–5726. https://doi.org/10.1073/pnas.75.11.5723.[12] Smith, J.B., Klug, J.R., Ross, D.L., Howard, C.D., Hollon, N.G., Ko, V.I., Hoffman, H., Callaway, E.M., Gerfen, C.R., and Jin, X. (2016). Geneticbased dissection unveils the inputs and outputs of striatal patch and matrix compartments. Neuron 91, 1069–1084. https://doi.org/10.1016/j. neuron.2016.07.046.[13] Shabel, S.J., Proulx, C.D., Piriz, J., and Malinow, R. (2014). Mood regulation. GABA/glutamate co-release controls habenula output and is modified by antidepressant treatment. Science 345, 1494–1498. https://doi.org/10.1126/science.1250469.[14] Meye, F.J., Soiza-Reilly, M., Smit, T., Diana, M.A., Schwarz, M.K., and Mameli, M. (2016). Shifted pallidal co-release of GABA and glutamate in habenula drives cocaine withdrawal and relapse. Nat. Neurosci. 19, 1019–1024. https://doi.org/10.1038/nn.4334.[15] Crittenden, J.R., and Graybiel, A.M. (2011). Basal Ganglia disorders associated with imbalances in the striatal striosome and matrix compartments. Front. Neuroanat. 5, 59. https://doi.org/10.3389/fnana.2011.00059.[16] Friedman, A., Homma, D., Bloem, B., Gibb, L.G., Amemori, K.I., Hu, D., Delcasso, S., Truong, T.F., Yang, J., Hood, A.S., et al. (2017). Chronic stress alters striosome-circuit dynamics, leading to aberrant decision-making. Cell 171, 1191–1205.e28. https://doi.org/10.1016/j. cell.2017.10.017.[17] Xiao, X., Deng, H., Furlan, A., Yang, T., Zhang, X., Hwang, G.R., Tucciarone, J., Wu, P., He, M., Palaniswamy, R., et al. (2020). A genetically defined compartmentalized striatal direct pathway for negative reinforcement. Cell 183, 211–227.e20. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.032.[18] Gerfen, C.R. (1984). The neostriatal mosaic: compartmentalization of corticostriatal input and striatonigral output systems. Nature 311, 461–464. https://doi.org/10.1038/311461a0.[19] Fujiyama, F., Sohn, J., Nakano, T., Furuta, T., Nakamura, K.C., Matsuda, W., and Kaneko, T. (2011). Exclusive and common targets of neostriatofugal projections of rat striosome neurons: a single neuron-tracing study using a viral vector. Eur. J. Neurosci. 33, 668–677. https://doi.org/10. 1111/j.1460-9568.2010.07564.x.[20] Koob, G.F. (2021). Drug addiction: hyperkatifeia/negative reinforcement as a framework for medications development. Pharmacol. Rev. 73, 163–201. https://doi.org/10.1124/pharmrev.120.000083.

本文完