撰文︱高天明，李 鑫
编辑︱王思珍
焦虑症（anxiety）是一种常见的精神系统疾病，伴有过度担心、过度警觉、恐惧等症状[1, 2]。世界范围内，焦虑症终生患病率达到28.8%[3]。目前，焦虑症的发病机制尚未完全明确，且缺乏有效的治疗方法[4, 5]。因此，急需深入研究焦虑症的发病机制以及治疗手段。慢性压力（chronic stress）是焦虑症发生的重要风险因素，经过慢性束缚压力模型后，小鼠可展现出焦虑样行为。在中枢神经系统中，谷氨酸（glutamate）是最主要的兴奋性神经递质，可激活离子型或代谢型谷氨酸受体调控神经系统功能[6-8]。以往药理学研究表明，代谢型谷氨酸受体5型（mGluR5）是潜在的治疗焦虑症的药物靶点[9-12]。然而，代谢型谷氨酸受体5型参与调控焦虑样行为的作用及其机制尚不清楚。2023年2月16日，南方医科大学的高天明团队在《神经精神药理学》（Neuropsychopharmacology，NPP）杂志上发表了题为“mGluR5 in hippocampal CA1 pyramidal neurons mediates stress-induced anxiety-like behavior”的研究论文，揭示了mGluR5参与调控焦虑样行为的机制。李鑫、杜卓君为论文共同第一作者，高天明院士为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现，慢性束缚压力模型可诱导小鼠的焦虑样行为，mGluR5的表达水平下降，且海马锥体神经元的兴奋性和抑制性突触输入减少。敲低海马锥体神经元上mGluR5后，锥体神经元的抑制性突触输入减少，并且小鼠表现出焦虑样行为。慢性束缚后，利用mGluR5正变构调节剂可逆转损伤的抑制性突触输入和小鼠的焦虑样行为。该研究在细胞水平、动物水平上揭示了mGluR5参与调控焦虑样行为的机制。（拓展阅读：高天明课题组研究进展，详见“逻辑神经科学”报道：本文末【特别专栏】）在此项工作中，研究人员发现经过连续5天，每天2小时慢性束缚后，小鼠体重下降（图1a）。在旷场实验中，小鼠在中心区域（center time）的运动时间减少（图1b-f）；在高架十字迷宫实验中，开臂时间（open arm time）减少（图1g, h），表明小鼠展现出焦虑样行为。传统上，海马脑区被认为在调控学习记忆中发挥重要作用。但近年研究表明，海马脑区也负责传递情绪信息到边缘脑区，并且海马脑区在焦虑症的发生发展中也起着重要作用[13, 14]。为探究慢性束缚压力导致焦虑症的细胞机制，研究人员利用膜片钳技术记录了海马脑区CA1锥体细胞兴奋性和抑制性突触输入。结果表明，慢性束缚后，海马CA1锥体细胞的兴奋性突触后电流（sEPSC, mEPSC）和抑制性突触后电流（sIPSC, mIPSC）的频率显著下降，而幅度无显著改变（图1i-t）。这些结果表明慢性束缚压力损伤了海马CA1锥体细胞的兴奋性和抑制性突触输入。图1 慢性束缚压力导致焦虑样行为并损伤海马突触输入（图源： Li, Xin. et al., NPP, 2023）为探究海马mGluR5是否与焦虑发生有关，研究人员检测了束缚后小鼠海马CA1、CA3、DG脑区mGluR5的表达水平，发现仅在CA1区域mGluR5的表达水平显著下降，说明CA1区域mGluR5的表达水平可能与焦虑的发生有关。接下来，为探究海马mGluR5能否调控焦虑样行为，研究人员设计实验敲低海马mGluR5表达水平。因此，研究人员在mGluR5 loxp小鼠的海马脑区注射CamKII-Cre-EGFP腺相关病毒。为验证病毒和Cre酶表达的特异性，研究人员注射CamKII-Cre-EGFP腺相关病毒到Ai14小鼠的海马脑区，发现EGFP和Cre酶主要表达于锥体细胞上，说明病毒特异性较好（图2f）。经过mRNA和蛋白质表达水平验证，病毒特异性的敲低了海马锥体细胞上mGluR5（图2g, h）。接下来，研究人员检测了小鼠焦虑相关的行为，发现敲低mGluR5的小鼠展现出焦虑样行为（图2i-o）。以上结果表明：海马CA1区域mGluR5参与并调控焦虑症的发生。（图源： Li, Xin. et al., NPP, 2023）为探究海马mGluR5调控焦虑样行为的细胞机制，研究人员在病毒感染的小鼠上记录了海马脑区锥体细胞兴奋性和抑制性突触输入。研究表明，敲低海马mGluR5后，海马CA1锥体细胞的兴奋性突触后电流（sEPSC, mEPSC）的频率显著下降，而幅度无显著改变（图3a-f）。同时，抑制性突触后电流（sIPSC, mIPSC）的频率显著下降，而幅度无显著改变（图3g-l）。相较之下，IPSC频率比EPSC频率下降幅度更大，说明敲低海马mGluR5主要损伤了锥体细胞的抑制性突触输入。（图源： Li, Xin. et al., NPP, 2023）CDPPB是mGluR5的正变构调节剂，可增强mGluR5活性。以往研究表明，CDPPB可逆转Shank3敲低后mEPSC的下降[15]。因此，研究人员利用CDPPB探究慢性束缚后抑制性突触输入减少和焦虑样行为能否被逆转。在IPSC记录中，经过CDPPB灌流，发现慢性束缚损伤的抑制性突触输入能被逆转。同时，在慢性束缚后小鼠的海马脑区注射CDPPB，其焦虑样行为也被部分逆转（图4）。图4 mGluR5正变构调节剂可逆转束缚后焦虑样行为（图源： Li, Xin. et al., NPP, 2023）图5 工作总结图：海马锥体神经元上mGluR5对焦虑样行为的调控作用（图源： Li, Xin. et al., NPP, 2023）综上所述，慢性束缚压力可导致海马锥体细胞mGluR5的活动下降，锥体细胞的放电（firing）减少，从而导致焦虑样行为。利用CDPPB可恢复mGluR5的活动，恢复锥体细胞的放电，从而逆转小鼠焦虑样行为（图5）。该工作揭示mGluR5参与调控焦虑样行为的机制，为mGluR5作为焦虑症的药物靶点提供了重要的依据。该工作也具有潜在的临床意义，提示CDPPB可作为焦虑症的潜在药物。未来，课题组将继续深入研究情绪疾病以及治疗方法，从而为临床转化奠定基础。
当然，这项研究还存在一些有待解决的问题，比如锥体细胞mGluR5敲低后，其抑制性突触输入的损伤程度比兴奋性突触输入更大，与慢性束缚后的细胞电生理现象不完全一致。慢性束缚可影响多个脑区，不仅仅是海马，而锥体细胞mGluR5敲低仅敲低了海马脑区的mGluR5，这可能是细胞电生理现象不一致的原因。另外，敲低锥体细胞mGluR5后，锥体细胞的突触输入下降。以往文献表明，抑制突触后mGluR5后，可提升突触后BDNF水平，而BDNF可逆向抑制突触输入，这可能是本研究中突触输入下降的一个原因[16-18]。另外，这项研究表明海马脑区突触输入下降是mGluR5调控焦虑样行为的机制，但由于mGluR5不仅仅调控突触输入，其本身可以调控多种离子通道以及NMDA受体等，从而调控细胞放电和细胞兴奋性[19-21]。因此，mGluR5敲低后，锥体细胞兴奋性和放电的改变也有可能参与调控焦虑样行为。
总而言之，这项研究揭示mGluR5参与调控焦虑样行为的机制，为抗焦虑药物的研发提供了依据。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41386-023-01548-w
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【2】会议通知更新︱小胶质细胞生理与病理功能专题国际研讨会
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