基于光遺傳學(xué)的抑郁癥發(fā)病機(jī)制研究

摘 要：困擾現(xiàn)代人的抑郁癥，其生物學(xué)機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議，光遺傳學(xué)作為一種新型的神經(jīng)元光控技術(shù)，在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。綜述了抑郁癥的基本特征和發(fā)病機(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)利用光遺傳學(xué)工具興奮或抑制抑郁小鼠模型的相關(guān)腦區(qū)，分析腦區(qū)操控前后抑郁小鼠的行為學(xué)變化，尋找與抑郁癥的發(fā)病密切相關(guān)的腦區(qū)。研究結(jié)論為抑郁癥發(fā)病機(jī)制的神經(jīng)生理基礎(chǔ)的研究提供了理論指導(dǎo)，最終幫助研究者理解抑郁癥發(fā)病機(jī)制并尋找高效治療策略。

關(guān)鍵詞：光遺傳;抑郁癥;抑郁小鼠模型

中圖分類(lèi)號(hào)：F24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.19.041

抑郁癥是一種會(huì)嚴(yán)重危害人類(lèi)身心健康的精神疾病，是當(dāng)今社會(huì)中很常見(jiàn)的一種情緒障礙綜合征。抑郁癥患者會(huì)呈現(xiàn)出焦慮，自卑，厭世，心境低落等癥狀，重者甚至產(chǎn)生自殺傾向。隨著社會(huì)壓力的不斷增大和現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，抑郁癥發(fā)病率也呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約13%-20%的人曾有過(guò)抑郁的體驗(yàn)，人群中的抑郁癥終生患病率更高達(dá)6.1%-9.5%之多。抑郁癥已然成為世界常見(jiàn)的疾病之一，研究降低其發(fā)病率的科學(xué)方法成為了迫在眉睫的事情。抑郁癥的生物學(xué)機(jī)制以及治療手段都需要進(jìn)一步的科學(xué)突破，近年來(lái)光遺傳學(xué)的快速發(fā)展，為我們提供了研究神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制的強(qiáng)有力工具。本研究利用光遺傳學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究與抑郁癥發(fā)病相關(guān)的腦區(qū)，從而為抑郁癥發(fā)病機(jī)制理解及治療提供更好的幫助。

1 抑郁癥

作為一種嚴(yán)重的精神疾病，科學(xué)界提出幾種抑郁癥的發(fā)病機(jī)制假說(shuō)，包括幾點(diǎn)：

（1）神經(jīng)環(huán)路假說(shuō)：該假說(shuō)認(rèn)為抑郁癥是由多個(gè)腦區(qū)參與的，綜合調(diào)控發(fā)生的。負(fù)責(zé)情感，決斷，賞罰的腦區(qū)對(duì)抑郁癥的關(guān)系尤為密切。

（2）單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)功能低下假說(shuō)：多巴胺，去甲腎上腺素和五羥色胺等單胺類(lèi)物質(zhì)參與了精神活動(dòng)，情緒反應(yīng)，體溫調(diào)節(jié)等生理反應(yīng)。該假說(shuō)認(rèn)為患者腦內(nèi)的單胺遞質(zhì)水平，即5-羥色胺，多巴胺和去甲腎上腺素神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)功能的低下導(dǎo)致了抑郁癥。

（3）神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)缺乏假說(shuō)：在神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中的生長(zhǎng)因子對(duì)成年大腦的可塑性起著重要的作用。其中作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布最廣泛，含量最多的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)神經(jīng)元的生長(zhǎng)，分化和損傷修復(fù)功能起重要作用。

類(lèi)似于舍曲林，帕羅西汀和氟西汀的藥物進(jìn)行的藥物治療和其他形式的治療手段是目前常見(jiàn)的抑郁癥治療方法，雖然這些治療方法的見(jiàn)效較快，但是由于抑郁癥具有高復(fù)發(fā)性和隱匿性，患者服用的不少藥物都有不良副作用。

2 光遺傳學(xué)技術(shù)

光遺傳學(xué)，是將光敏感離子通道蛋白神經(jīng)元表達(dá)，并利用特定波長(zhǎng)的光照激發(fā)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象精細(xì)調(diào)控的學(xué)科，即通過(guò)操縱神經(jīng)元來(lái)興奮或抑制靶細(xì)胞和靶器官。該技術(shù)可以對(duì)哺乳動(dòng)物大腦組織進(jìn)行無(wú)損傷的操控，它具有目的性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高，細(xì)胞特異性強(qiáng)等特點(diǎn)。是由2005年Boyden等人證明光刺激綠藻視蛋白可以使神經(jīng)元產(chǎn)生應(yīng)答而發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。近年來(lái)，光遺傳學(xué)在復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制探究，尤其是腦科學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。2011年， Nature Methods將光遺傳學(xué)技術(shù)譽(yù)為了21世紀(jì)神經(jīng)生物學(xué)中最具影響力的技術(shù)。

光敏感蛋白在光遺傳研究中發(fā)揮著重要的作用，它是光遺傳學(xué)的主要工具，被發(fā)現(xiàn)于單細(xì)胞微生物如綠藻、單胞菌的視蛋白中。光敏感蛋白根據(jù)不同的效應(yīng)可以分為興奮性光敏感蛋白和抑制性光敏感蛋白兩種。視紫紅質(zhì)-2（ChR2）是目前最常用的興奮性光敏感蛋白，它在被藍(lán)光激活后，陽(yáng)離子內(nèi)流使細(xì)胞去極化，產(chǎn)生動(dòng)作電位，提高興奮性。視紫紅質(zhì)（NpHR）是一種常見(jiàn)的抑制性光敏感蛋白，在被黃光激活后會(huì)使細(xì)胞膜超極化，從而抑制細(xì)胞的興奮。

光遺傳學(xué)技術(shù)自問(wèn)世來(lái)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)物行為研究，比如用光遺傳學(xué)技術(shù)使果蠅體內(nèi)的多巴胺大量釋放，在斑馬魚(yú)的軀體感覺(jué)神經(jīng)元的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)光照可以使其產(chǎn)生逃避的游泳活動(dòng)等。在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域尤其是精神類(lèi)疾病等研究中的應(yīng)用也非常廣泛，可以用于研究焦慮，藥物成癮，恐懼和抑郁癥等領(lǐng)域。利用光遺傳學(xué)技術(shù)，有研究發(fā)現(xiàn)中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）的神經(jīng)元可以讓小鼠表現(xiàn)出糖水偏好減少和社交逃避等特征;光遺傳學(xué)刺激內(nèi)側(cè)前額葉（mPFC）可以讓“易感”小鼠產(chǎn)生抗抑郁的作用等結(jié)論，大量研究表明光遺傳學(xué)技術(shù)在抑郁癥研究中可以發(fā)揮重要的作用。

3 光遺傳學(xué)探究抑郁癥發(fā)病實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 腦區(qū)選擇

（1）前額葉皮質(zhì)：前額葉皮質(zhì)（PFC）是指覆蓋大腦額葉前部表面的皮層結(jié)構(gòu)。在社會(huì)認(rèn)知的領(lǐng)域中，PFC對(duì)情緒認(rèn)知，社會(huì)推理，心理和決策推斷等問(wèn)題產(chǎn)生了重要影響。現(xiàn)代研究表明，前額葉皮質(zhì)功能的異常與抑郁癥相關(guān)。

（2）中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）：中腦腹側(cè)被蓋區(qū)產(chǎn)生的多巴胺可能參與了抑郁癥的發(fā)生。對(duì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行特異性的激活或者抑制，可以較為明顯的影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的抑郁表現(xiàn)。

（3）伏隔核：伏隔核參與了獎(jiǎng)賞環(huán)路的組成，伏隔核的損傷與快感缺失行為的發(fā)生和發(fā)展有著必然關(guān)系。科學(xué)家們認(rèn)為慢性應(yīng)激是會(huì)導(dǎo)致抑郁癥發(fā)病的最主要的因素之一，會(huì)最終引起獎(jiǎng)賞系統(tǒng) GABA 能神經(jīng)元受損。

（4）杏仁核：杏仁核與內(nèi)分泌調(diào)節(jié)和自主神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)節(jié)有著非常密切的關(guān)系，因?yàn)樾尤屎擞锌赡苁菣C(jī)體的情緒整合中樞 ，可以將感覺(jué)信息投射到皮層、下丘腦和腦干諸核團(tuán)，形成意識(shí)水平的情緒反應(yīng)。

3.2 前期準(zhǔn)備

選擇同批次相同重量的同齡成年小鼠共100只小鼠，其中對(duì)照組20只小鼠，實(shí)驗(yàn)組80只小鼠。實(shí)驗(yàn)組共分為16組，四種腦區(qū)，每種腦區(qū)又分別注射興奮性光敏感蛋白ChR2和抑制性光敏感蛋白NpHR，同一腦區(qū)注射相同的光敏感蛋白的小鼠又分為兩組進(jìn)行不同方式抑郁癥小鼠建模。對(duì)照組注射攜帶GFP的病毒載體。各組小鼠在相應(yīng)腦區(qū)注射相應(yīng)視蛋白后，按腦區(qū)分類(lèi)將光纖分別埋入DP，MO，VTA，PFC四種腦區(qū)注射上方附近，術(shù)后對(duì)小鼠進(jìn)行單籠飼養(yǎng)，約3到4周后開(kāi)始進(jìn)行行為學(xué)試驗(yàn)。

3.3 建立抑郁癥研究的模型

（1）糖水偏好模型。將各組小鼠放在一系列的溫和應(yīng)激之下，使其受到不可預(yù)知的刺激。這些刺激包括使小鼠挨餓，不定時(shí)潑灑冰水，束縛小鼠等等。在經(jīng)過(guò)三周的溫和刺激之后，觀察小鼠對(duì)糖水的偏好性并同對(duì)照組對(duì)比，小鼠對(duì)于糖水的偏好明顯降低，并同時(shí)出現(xiàn)攻擊力降低，毛色變差等現(xiàn)象。判斷為小鼠的快感缺乏，成功建立抑郁癥基礎(chǔ)模型。

（2）公鼠造模。經(jīng)過(guò)篩選，選擇進(jìn)攻能力較強(qiáng)的大鼠（大白），和進(jìn)攻能力很弱的小鼠（小黑）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將小黑作為入侵鼠放在大白的籠子中，并讓他們進(jìn)行身體接觸，每天15分鐘左右。在每天其余時(shí)間內(nèi)將大白和小黑用帶小孔的透明隔板隔開(kāi)，讓小黑可以看到聞到大白，從而對(duì)小黑造成心理陰影。十五天后，將大白盒小黑共同放入社會(huì)交互實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行社會(huì)交互實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)箱中分為了角落區(qū)和交互區(qū)。分別在交互區(qū)有大白和無(wú)大白的情況下，觀察小黑在角落區(qū)和交互區(qū)停留的時(shí)間多少，成功建立抑郁癥基礎(chǔ)模型。

3.4 利用光遺傳學(xué)技術(shù)操縱興奮或抑制小鼠的腦區(qū)

分別用公鼠造模和糖水偏好兩種基礎(chǔ)模型得到的抑郁小鼠進(jìn)行光遺傳學(xué)操作實(shí)驗(yàn)。已注射光敏感蛋白的實(shí)驗(yàn)小鼠，可以在適合光刺激情況下興奮（ChR2）或抑制（NpHR）該腦區(qū)的神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該4個(gè)腦區(qū)的調(diào)控，探究相應(yīng)腦區(qū)的興奮或抑制對(duì)抑郁癥小鼠模型行為的影響。

將不同的抑郁癥建模方式得到的小鼠，選擇固定頻率對(duì)相應(yīng)腦區(qū)進(jìn)行光刺激一段時(shí)間，對(duì)于“公鼠造模模型實(shí)驗(yàn)組”，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)小鼠在角落區(qū)和交互區(qū)停留的時(shí)間比例，對(duì)于“糖水偏好實(shí)驗(yàn)組”，觀察統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)小鼠對(duì)糖水的喜好程度，根據(jù)光刺激前后小鼠行為變化來(lái)推斷抑郁癥發(fā)病相關(guān)的腦區(qū)。

4 總結(jié)與展望

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇的四個(gè)腦區(qū)與社會(huì)認(rèn)知，情緒控制，大腦獎(jiǎng)賞等有關(guān)，這些功能的異常常會(huì)導(dǎo)致抑郁癥的發(fā)生。通過(guò)對(duì)比相應(yīng)腦區(qū)興奮或抑制前后的抑郁癥小鼠的行為學(xué)變化，判斷前額葉皮質(zhì)，中腦腹側(cè)被蓋區(qū)，伏隔核，杏仁核這四種腦區(qū)與抑郁癥可能的聯(lián)系。

本研究希望通過(guò)對(duì)抑郁癥發(fā)病相關(guān)的腦區(qū)的研究，為抑郁癥治療帶來(lái)新的研究方案。還可以繼續(xù)探究該腦區(qū)中哪種神經(jīng)元類(lèi)型發(fā)揮了關(guān)鍵作用，進(jìn)一步深入理解抑郁癥發(fā)病的生物學(xué)機(jī)制，最終有效防治抑郁癥。

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