详解光纤记录在神经系统疾病研究中的应用

详解光纤记录在神经系统疾病研究中的应用

作者:RWD
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人类的大脑拥有约900亿个神经元,神经元之间通过突触相互连接形成了复杂的神经网络,并由此产生各种复杂的功能。大脑能够合成和释放上百种神经递质,神经信号通过突触释放的神经递质从而在神经元之间进行传递。


神经元


大脑中神经元以复杂的通路投射到多个脑区,产生了学习认知、成瘾、情感、控制、动机、奖励等丰富的功能。光纤记录系统则可以通过检测钙离子和神经递质的荧光变化程度来表征群体神经元的活动情况。由于光纤记录实验操作较为简便,目前在神经科学研究中应用越发广泛。


本文将带领大家了解一些光纤记录的实验应用场景,帮助各位更好地了解光纤记录在神经系统疾病中的应用,以及分享光纤记录如何助力研究新发现。


1. 抑郁——阿片类药物戒断产生抑郁行为的分子环路机制


抑郁是药物戒断产生的厌恶情绪中最为常见的一种,有研究发现k-阿片类受体(KORs)参与阿片类药物戒断诱发的抑郁样行为,并且该行为与伏隔核(NAc)中多巴胺(DA)释放减少有关。然而,KORs调节这种与阿片类药物戒断相关的厌恶情绪的分子机制和神经元回路目前尚不清楚。


Zan等人在吗啡戒断诱导的抑郁小鼠模型中,利用光纤记录、膜片钳、化学遗传学和免疫组化等方法,揭示了吗啡戒断通过增加杏仁核中KOR配体dynorphin的表达来激活KORs,进而激活p38 MAPK并促进GLT1表达。GLT1的表达上调降低了杏仁核向NAc的谷氨酸输入,从而促进吗啡药物戒断诱导的抑郁样行为


该研究中,Zan等人使用光纤记录方法检测吗啡戒断小鼠BLA-NAc神经元投射的活性,发现吗啡戒断后悬尾测试小鼠的信号迅速下降,表明吗啡戒断降低杏仁核到NAc的兴奋性突触传递。


吗啡戒断降低杏仁核到NAc的兴奋性突触传递

吗啡戒断降低杏仁核到NAc的兴奋性突触传递


2.记忆——下丘脑环路调控海马神经发生促进记忆提取并对抗焦虑样行为


成年海马神经发生在记忆和情绪处理中起重要作用,海马新生神经元在DG中产生、成熟并整合到现有环路中,并且这个过程由神经环路的活动进行动态调节。然而,目前尚不清楚神经环路修饰的海马新生神经元对动物行为记忆的影响。


Li等人聚焦于SuM-DG环路修饰的ABN(成年新生神经元)发育的不同阶段,通过光纤记录、光遗传、化学遗传、膜片钳和谱系示踪等方法,揭示了SuM-DG环路修饰成年海马新生神经元,促进记忆提取和对抗焦虑


在该研究中,Li等人使用光纤记录方法检测SuM-DG神经元投射的活性,结果发现在丰富环境(EE)中,小鼠SuM神经元活性显著增加,并且SuM消融后,EE诱导的神经反应和ABN介导的行为改善被消除,提示SuM-DG环路修饰的ABN能够调控记忆行为


小鼠SuM-DG神经元在EE中活性增高

小鼠SuM-DG神经元在EE中活性增高


3. 精神障碍——mPFC-Notch1信号通过Hes1抑制GABAB1受体表达介导METH诱导的精神障碍


甲基苯丙胺(METH,冰毒)是一种被广泛滥用的兴奋剂药物,大剂量或长期使用METH会诱发精神障碍(MIP),目前人们对其发病机制还知之甚少,虽然Notch1信号通路已被证明在一些精神疾病的发病机制中发挥作用,但其在MIP中的作用仍不清楚。


Ni等人在METH小鼠模型,使用光纤记录、免疫组化、WB、PCR以及行为学等方法,揭示了一个之前未被识别的Notch1-Hes1-GABAB1受体依赖机制,该机制涉及MIP中mPFC神经元活动和行为表型的调节,提出了Notch1信号传导与MIP相关的神经可塑性之间的重要关联


在该研究中,Ni等人为了验证在METH诱导的运动缺陷中mPFC神经元活性是否与Notch1信号有关,通过shRNA下调了mPFC神经元NICD表达水平,并使用光纤记录技术同步记录mPFC神经元的钙信号:结果显示第1天急性METH给药后钙信号显著下降,而在第23天给药后其钙信号显著下降后短时间内又恢复正常,同时与给药前信号相比显著降低。而当给予生理盐水,急性期及激发期不同组信号均未见明显变化,表明mPFC中NICD的下调可以减弱致敏小鼠的神经元活性


mPFC中NICD的下调可以减弱致敏小鼠的神经元活性

mPFC中NICD的下调可以减弱致敏小鼠的神经元活性


4.疼痛——VPMntng1- S1B通路介导镇痛新机制


当身体的某个部位在受到伤害感到疼痛时,我们会本能地对它进行揉搓或按摩,以此减轻疼痛程度,这种现象被称为触摸介导的镇痛。对于触摸介导的镇痛机制,振动触觉信息主要由初级躯体感觉皮层(somatosensory cortex, S1)处理,但S1在痛觉中的确切作用仍有争议。相对而言,对于S1是否以及如何处理面部的痛觉信息目前仍然知之甚少。


Lu等人建立了一个触摸介导的痛觉抑制的行为模型,使用了光纤记录、化学遗传学、在体钙成像、免疫组化以及行为学评估等实验技术,观察到小鼠胡须拂动产生触觉信号能够显著缓解面部疼痛,而阻断这一触觉信号传递所依赖的丘脑到桶状皮层(barrel cortex, S1B)环路,则导致该疼痛缓解作用消失。通过对S1B神经元的钙信号进行分析,作者发现胡须拂动改变了S1B神经元对痛觉信号的处理,并推动由伤害性刺激引起的神经状态向非伤害性的行为结果过渡。该研究表明,S1B整合了面部触觉和痛觉信号,实现了触摸介导的镇痛。


在该研究中,Lu等人为了检测胡须拂动产生触觉信号是否需要依赖丘脑腹后内侧核(VPM)中表达Ntng1的神经元(VPMNtng1),利用光纤记录技术观察到VPMNtng1神经元对非伤害性的吹气刺激的反应比对伤害性的热或机械刺激的反应要更为强烈,这与VPM主要传递触摸信号的作用相一致,表明胡须拂动产生的触觉信号确实可以缓解面部疼痛


VPMNtng1神经元主要向S1B传递触觉信号

VPMNtng1神经元主要向S1B传递触觉信号,而非伤害性信号


上述研究中,研究人员们都采用了瑞沃德公司生产的光纤记录系统,为实验的顺利开展提供了助力。迄今,瑞沃德光纤记录系统已助力国内外100+高校的科研工作开展,如北京大学,浙江大学,斯坦福大学,伦敦大学学院等,并促成各大课题组研究成果在Nature Neuroscience等顶级学术期刊发表。


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