这一发现让人意外~

2024-03-21

*仅供医学专业人士阅读参考长久以来，神经元一直被认为是调控各种行为的关键，因为其是神经环路的主要构成者[1]。然而，越来越多的研究表明，作为中枢神经系统内最主要的神经胶质细胞类型，除了营养支持功能外，星形胶质细胞同样参与神经环路的调控[2, 3]，但我们对其具体机制知之甚少。近日，来自加州大学洛杉矶分校的Baljit S. Khakh团队，在《自然》杂志发表重磅研究[4]，他们发现了一群位于纹状体的Crym+星形胶质细胞，它们可调控从眶额皮质到纹状体的与持续重复行为相关的神经环路，揭示了星形胶质细胞调控神经环路的新机制。Khakh团队发现，当位于纹状体的Crym+星形胶质细胞Crym基因被沉默时（Crym KO，Crym基因编码μ-晶体蛋白[5]），突触间γ－氨基丁酸（GABA）——一种主要起抑制作用的神经递质的含量下降，从而导致眶额皮质到纹状体的神经环路兴奋性改变。这最终造成突触兴奋/抑制性信号平衡失调和中型多棘神经元（MSN，纹状体的主要输出神经元[6]）兴奋性增加，导致了小鼠出现持续重复行为。在抑制Crym KO小鼠相应突触前神经元的兴奋性后，可逆转Crym KO小鼠的持续重复行为。由于多种有持续重复行为相关表型的神经精神疾病，如强迫症和亨廷顿病等[7, 8]，患者脑内μ-晶体蛋白含量降低，因而本研究所发现的调控机制可能是治疗这些疾病的潜在靶点。论文首页截图Khakh团队在对小鼠脑内各部分组织中的星形胶质细胞进行RNA测序后发现，Crym基因在纹状体的星形细胞中表达程度最高。小鼠脑组织非神经细胞单细胞测序结果则显示，Crym基因主要在Gja1+星形胶质细胞中高表达。在星形胶质细胞中，约50%的细胞表达Crym，这一比例低于星形胶质细胞的其他标志物（如GFAP和S100β）。Crym基因在小鼠脑组织星形胶质细胞的表达情况，Crym基因高表达于纹状体星形胶质细胞这一结果也得到了RNAScope结果的验证。此外，研究人员还进一步发现，纹状体中Crym+星形胶质细胞主要集中在纹状体腹侧区和中央区，几乎不存在于背外侧区。为了研究Crym+星形胶质细胞的作用，研究人员敲除了小鼠纹状体中星形胶质细胞的Crym基因，构建了Crym KO小鼠。Crym KO小鼠与对照小鼠在体重、运动功能、学习能力方面均无差异，但在行为学实验中，研究人员发现Crym KO小鼠出现了明显更多的持续重复行为，如埋藏与挖掘大理石、自我梳理、舔水瓶口等行为的时间明显增多，而在新物体识别方面则表现较差。也就是说，它们出现了持续重复行为模式，从而难以过渡到其他活动。Crym KO小鼠出现持续重复行为模式Crym KO造成小鼠出现这一表现的原因是什么呢？Khakh团队首先排除了Crym KO导致星形胶质细胞或神经元凋亡和死亡这一原因，同时Crym KO小鼠星形胶质细胞的形态和电生理特征也与对照组没有差别。因而他们怀疑是Crym KO小鼠纹状体星形胶质细胞对神经元兴奋调节功能的改变，导致了小鼠出现持续重复行为。纹状体是基底节皮质纹状体-丘脑-皮质神经环路环的一部分，在对这一环的神经元活动进行监测发现，与对照组小鼠相比，Crym KO小鼠的外侧眶额皮质、中央纹状体和背侧丘脑有更多的神经元激活。紧接着，通过顺行及逆行示踪技术，研究人员确定了纹状体中Crym+星形胶质细胞所调控神经环路的神经输入纤维，确实来源于外侧眶额皮质，表明Crym KO可能改变了外侧眶额皮质神经元与中央纹状体MSN之间的兴奋传递。进一步的研究表明，Crym KO小鼠纹状体中外侧眶额皮质传入神经元兴奋性输入增加，而MSN中自发抑制突触后电流减少，这种突触兴奋/抑制（E/I）信号比率的失调，导致了Crym KO小鼠中外侧眶额皮质-纹状体神经环路被异常激活。Crym KO小鼠外侧眶额皮质-纹状体间E/I信号比率的失调为了明确E/I信号比率失调的原因，研究人员通过气相色谱-质谱仪，分析了Crym KO和对照小鼠纹状体中兴奋性/性抑制神经递质谷氨酸和GABA的含量，发现Crym KO小鼠纹状体中谷氨酸/GABA比率显著增加，且Crym KO小鼠中纹状体星形胶质细胞内GABA和GABA合成酶单胺氧化酶B的含量显著减少。与此同时，通过分析GABA受体拮抗剂和激动剂，对Crym KO小鼠和对照小鼠外侧眶额皮质-纹状体突触间兴奋性影响的差异，Khakh团队证实，Crym KO小鼠E/I信号比率的失调，是由于纹状体GABA水平降低，导致突触前抑制减少，从而导致MSN的兴奋性突触后电流增加。Crym KO小鼠纹状体GABA水平降低，导致突触前抑制减少，从而导致MSN的兴奋性突触后电流增加通过化学遗传学技术抑制外侧眶额皮质传入神经元的兴奋后，可以减少导致MSN的兴奋性突触后电流，还能逆转由Crym KO导致的持续重复行为。由此，研究人员基本明确了Crym KO后星形胶质细胞调控神经元突触间兴奋性功能的改变，而导致持续重复行为的机制。唯一存在的疑问是：Crym KO后突触间GABA水平的降低是如何发生的。虽然研究人员猜想这与星形胶质细胞中GABA合成功能，以及GAT3（GABA转运蛋白3）的表达降低有关，但这一点需要在今后进行更进一步的研究。总的来说，本研究揭示了星形胶质细胞参与调控神经环路的新机制，纹状体星形胶质细胞中Crym基因的表达降低，可能与持续重复行为模式相关，这为治疗具有类似行为模式的疾病（如强迫症和亨廷顿病等）提供了新策略。参考文献1.Luo L: Architectures of neuronal circuits. Science 2021, 373(6559):eabg7285.2.Nagai J, Yu X, Papouin T, Cheong E, Freeman MR, Monk KR, Hastings MH, Haydon PG, Rowitch D, Shaham S et al: Behaviorally consequential astrocytic regulation of neural circuits. Neuron 2021, 109(4):576-596.3.Khakh BS, Sofroniew MV: Diversity of astrocyte functions and phenotypes in neural circuits. Nat Neurosci 2015, 18(7):942-952.4.Kruyer A: Non-neuronal brain cells modulate behaviour. Nature 2024.5.Kinney CJ, Bloch RJ: micro-Crystallin: A thyroid hormone binding protein. Endocr Regul 2021, 55(2):89-102.6.He J, Kleyman M, Chen J, Alikaya A, Rothenhoefer KM, Ozturk BE, Wirthlin M, Bostan AC, Fish K, Byrne LC et al: Transcriptional and anatomical diversity of medium spiny neurons in the primate striatum. Curr Biol 2021, 31(24):5473-5486 e5476.7.Piantadosi SC, McClain LL, Klei L, Wang J, Chamberlain BL, Springer SA, Lewis DA, Devlin B, Ahmari SE: Transcriptome alterations are enriched for synapse-associated genes in the striatum of subjects with obsessive-compulsive disorder. Transl Psychiatry 2021, 11(1):171.8.Hodges A, Strand AD, Aragaki AK, Kuhn A, Sengstag T, Hughes G, Elliston LA, Hartog C, Goldstein DR, Thu D et al: Regional and cellular gene expression changes in human Huntington's disease brain. Hum Mol Genet 2006, 15(6):965-977.责任编辑丨BioTalker