Science子刊揭示焦虑调节急性应激下动机行为的神经生物学机制

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作者:RWD
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文章概述


个体面对压力所产生认知和行为反应往往不同,我们一般认为,长期慢性压力会损害个体的动机行为,而急性压力对不同个体动机行为的影响还有待确定。焦虑属于一种人格特质或气质倾向,在学习和社交中,焦虑是急性压力效应的关键调节因子。然而,个体不同的焦虑水平是否可以解释急性压力下其动机行为的差异表现目前尚不清楚。2022年3月25日,瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队在《Science Advances》杂志上发表题为“Opposite effects of stress on effortful motivation in high and low anxiety are mediated by CRHR1 in the VTA”的研究论文,该研究利用不同焦虑水平的大鼠,分析了它们在面对急性压力时的动机表现以及潜在的神经生物学机制。


研究结果表明,不同焦虑水平动物在急性压力下的动机表现截然相反:急性应激会促使低焦虑(Low Anxious, LA)动物变得更加努力上进,也会导致高焦虑(High Anxious, HA)动物变得消极逃避。该研究进一步阐述了引发这种差异神经生物学机制:其差异效应是由腹侧被盖区(Ventral Tegmental Area, VTA)多巴胺神经元上的促肾上腺皮质激素释放激素受体1(Corticotropin-Releasing Hormone <CRH> Receptor 1,CRHR1)所调控。


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核心观点


1、急性压力应激促进了LA动物变得更加努力,然而也导致了HA动物变得消极逃避;


2、VTA多巴胺神经元中CRHR1的表达取决于动物焦虑水平,而CRHR1的表达又决定了动物在经历急性应激后的努力程度。


研究结果分析


1.急性应激对LA和HA大鼠的动机行为有相反的作用


首先,研究者根据大鼠在高架十字迷宫(Elevated Plus Maze, EPM)中的表现将其分为LA组或HA组。两组大鼠在随后的操作性条件反射训练(固定比率测试,Fixed Ratio Test/FR Test)中表现出了类似的获取食物奖励的能力。随后,研究者通过将大鼠置于高架平台15min,来模拟急性压力应激,然后进一步通过操作性条件反射任务(累进比例测试,Progressive Ratio Test/PR Test)来测试它们的动机表现,用以分析急性应激对不同焦虑水平大鼠动机行为的影响。


结果表明,将动物置于高架平台会引起它们强烈的应激反应,这种急性应激促使了LA大鼠在随后PR测试中的更加努力,包括正确的鼻戳数、获得奖励的数量以及最终完成率均有所提高。然而,对于HA大鼠,在经历急性应激后,它们在随后的PR测试中其努力行为显著降低。


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2.CRH系统是上述动机行为差异的潜在神经生物学基础


为了探讨CRH系统是否是上述差异表现的潜在基础,研究者首先研究了Crhr1基因1号内含子遗传变异是否与焦虑行为有关。研究者对HA大鼠、LA大鼠、以及中间焦虑水平(Intermediate Anxious, IA)大鼠的Crhr1基因单核苷酸多态性(SNP; Rs106600307, chr10:92191940)进行了鉴定。结果表明,纯合子与动物焦虑有关,杂合子动物的焦虑程度要低于纯合子动物。此外,LA大鼠的杂合性比例较高,而HA大鼠纯合性的比例较高,这些结果证实了该SNP的杂合性与大鼠较低的焦虑水平相关。


为了验证CRHR1的表达模式与焦虑行为以及动机有关,研究者检测了LA和HA大鼠VTA中的CRHR1表达。鉴于CRHR1在不同细胞类型中缺失会诱导相反的焦虑表型(比如,在多巴胺能神经元中缺失会引起焦虑,而在GABA能神经元中缺失却会减轻焦虑),因此研究者检测了特定细胞类型中CRHR1的表达。RNAscope荧光原位杂交技术显示,与HA大鼠相比,LA大鼠VTA区多巴胺神经元(酪氨酸羟化酶阳性,Tyrosine Hydroxylase–positive/TH+)中Crhr1的表达明显更高,并且,双重组织免疫荧光也证实了这一结果。


这些结果表明,VTA多巴胺神经元中的CRHR1可能是焦虑依赖的急性应激下动机行为差异表现的潜在神经生物学基础。


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3.VTA内的CRH治疗能够模拟急性应激对LA和 HA大鼠动机行为的作用


已有的研究认为,VTA中CRH系统的活动能够模拟急性应激所致的动机行为损害。鉴于上述实验观察到VTA区CRHR1的表达水平呈现焦虑依赖性的差异,因此作者假设VTA中CRHR1的作用可能会因动物的焦虑水平而有所不同,从而可以通过给予CRH模拟LA和HA大鼠在急性应激下所致的不同动机表现。为了验证这一假设,研究者用到了微量给药技术,在VTA区埋置微量给药导管后给予CRH或对照溶剂进行处理。在给予CRH后,LA大鼠的动机行为表现明显得到改善,而HA大鼠的动机行为表现则受到损害,并且LA大鼠的动机行为表现明显优于HA大鼠。在埋置给药导管后的训练过程中,LA和HA大鼠并没有表现出差异。


此外,微透析结果表明:在对照组中,LA和HA大鼠伏隔核(Nucleus Accumbens, NAc)中具有相似水平的多巴胺和二羟基苯乙酸;而在CRH给药组中,LA大鼠的NAc中检测到了更高水平的多巴胺和二羟基苯乙酸。这些结果证实了中脑边缘多巴胺能系统对VTA区CRH系统活动的反应取决于焦虑水平。


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4.CRH对LA和HA大鼠VTA多巴胺神经元的放电具有不同作用


上述实验已经证实,LA和HA大鼠VTA多巴胺神经元中CRHR1表达水平不同,且VTA 内给予CRH对LA大鼠和HA大鼠的动机行为起到相反作用,因此作者推测,不同焦虑水平动物VTA区多巴胺神经元对CRH的反应存在差异。为了验证这种可能性,研究者利用脑片膜片钳技术分析了VTA 多巴胺神经元的电生理特征。LA和HA大鼠VTA多巴胺神经元表现出类似的兴奋能力,包括动作电位阈值、放电频率等。为了检测CRH对VTA多巴胺神经元自发放电的影响,研究者在记录时给予CRH,LA大鼠VTA多巴胺神经元在给予CRH后出现了一个放电频率的可逆性增加,并且这种增加能够被CRHR1的拮抗剂CP-154526所阻止。然而在HA大鼠中,CRH对VTA多巴胺神经元电活动的作用是不明显的。剂量-反应曲线也证实了LA大鼠和HA大鼠VTA多巴胺神经元对μmol以内CRH的反应存在显著差异。


此外,LA大鼠VTA多巴胺神经元在基础条件下通常表现出较少的自发放电,而HA大鼠VTA多巴胺神经元在基础条件下则表现出高频自发放电。因此,分析CRH对放电频率绝对值的影响可以发现,在给予CRH后,LA大鼠VTA多巴胺神经元的放电频率从近似沉默到高频放电,其最高频率最终达到了HA大鼠VTA多巴胺神经元在基础状态或者给予CRH后的放电频率。因此,与HA大鼠中观察到的对CRH的迟钝反应相反,CRH能够引起LA大鼠VTA多巴胺神经元从低频放电到高频放电的动态变化。反过来,这种变化也应该会导致VTA下游区域多巴胺的释放显著增加,这与上面检测的结果相符:在LA大鼠VTA内给予CRH后,其NAc中多巴胺含量显著升高。


VTA中间神经元在突触前表达CRHR1可以促进其向多巴胺神经元释放GABA。因此,研究者测试了急性给予CRH引起的VTA多巴胺神经元差异放电是否是因为GABA能神经元的差异调节所引起。然而结果证实,当抑制性传递被阻断时,CRH引起的两组神经元放电的差异反应仍然存在。此外,VTA区非多巴胺神经元暴露于CRH时,其自发放电并未改变。随后,作者利用他莫西芬选择性的诱导敲除多巴胺神经元中的CRHR1,来进一步验证CRHR1在VTA多巴胺神经元诱导激活中的作用。结果显示,CRH能够引起野生型小鼠VTA多巴胺神经元放电频率出现的可逆性增加,但是在CRHR1条件性敲除的小鼠中,这种变化完全消失。


总之,这些数据表明,CRH能够影响VTA多巴胺神经元的兴奋性,LA和HA大鼠VTA多巴胺神经元对CRH的反应性不同,这与它们CRHR1的表达差异一致


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5.下调VTA中CRHR1的表达能够降低LA大鼠在急性应激下的动机行为表现


根据上述结果,作者推测下调VTA中CRHR1的表达会阻断急性应激对动机行为的影响。为此,作者利用反义寡核苷酸(Antisense Oligonucleotide, AON)诱导了LA大鼠VTA中CRHR1的表达下调。与对照相比,AON处理对LA大鼠在训练时的表现没有影响,但是在经历急性应激后(高架平台15min),AON处理的LA大鼠没有出现预期的动机行为表现改善,而在那些对照的LA大鼠中,仍然出现急性应激诱导的动机行为表现改善。


为了验证AON能够有效地诱导VTA中CRHR1的下调,并由此引起多巴胺神经元兴奋性以及对CRH反应性的变化,研究者进行了脑片膜片钳记录。AON处理的大鼠多巴胺神经元表现出更高的自发放电频率,并且对CRH的反应更加迟钝。因此,AON处理的LA大鼠VTA多巴胺神经元表现出与HA大鼠相似的CRH反应。


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6.在VTA→NAc神经元中过表达CRHR1可改善应激下的动机行为表现,而CRHR1的缺失则会损害急性应激下的动机行为表现


接下来,作者研究了在LA大鼠VTA中过表达CRHR1是否足以改善它们在急性应激下的动机行为。为此,作者利用病毒过表达技术,选择性的在VTA靶向NAc的神经元中过表达CRHR1。结果表明,VTA投射到NAc的神经元大部分为多巴胺神经元,CRHR1过表达大鼠和对照大鼠在训练中的表现并无差异。然而,在动机行为测试中,CRHR1 过表达的大鼠不管是在基础条件下,还是在经历急性应激后,其在动机表现都要明显优于对照组。


AON有效地下调了大鼠VTA对CRH的反应,但是没有以细胞特异性的方式靶向CRHR1。为了研究CRHR1在多巴胺神经元中缺失的作用,作者利用他莫昔芬选择性的诱导多巴胺神经元中CRHR1的敲除。结果显示,与对照小鼠相比,CRHR1敲除小鼠虽然在基础条件下的动机行为没有出现损害,但是在经历急性应激后,其动机行为表现明显变差。这些结果进一步支持VTA多巴胺神经元中CRHR1的表达在动机行为中的作用。


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总结


本研究揭示了不同焦虑特质的个体在急性压力应激下动机行为的差异表现,即:LA个体在面临急性应激时会变得更加积极努力,而HA个体则会变得消极逃避。认识到个体对压力的不同敏感性,有助于我们制订个性化的训练和干预措施来管理压力,以此提升我们在学习/工作中的效率和表现。此外,该研究还强调了VTA 区多巴胺神经元中CRHR1的表达水平是引发这种差异的神经生物学基础,可以作为一个生物学标志以及潜在的治疗干预靶点。


亮点研究方法


这项工作阐述了焦虑作为一个关键调节因子,在急性应激下调控动物动机行为的作用机制。研究用到了脑立体定位注射、行为学评估、微量导管给药、微透析、电生理记录以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学领域近20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务,可提供该研究中涉及的脑立体定位注射、行为学评估、微量导管给药、微透析、电生理记录以及免疫组化等实验的完整解决方案。截止目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外 100 多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章12000+,获得行业广泛认可。
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