利用微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)揭示氯胺酮激活神經(jīng)韌性的機(jī)制_abio生物試劑品牌網(wǎng)
在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，氯胺酮（Ketamine）因其快速抗抑郁特性而備受關(guān)注。作為一種非競(jìng)爭(zhēng)性NMDA受體拮抗劑，氯胺酮在臨床治療中顯示出對(duì)抑郁癥患者具有顯著的療效，尤其是在傳統(tǒng)抗抑郁藥物效果不佳的情況下。然而，氯胺酮如何迅速改變大腦活動(dòng)并產(chǎn)生長(zhǎng)期的行為效應(yīng)，其背后的機(jī)制尚不完全清楚。為了深入探索這一問題，Duque等人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)并在最近于Neuron上發(fā)表了一篇研究論文《Ketamine induces plasticity in a norePInephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance》，該研究揭示了氯胺酮如何通過影響去甲腎上腺素-星形膠質(zhì)細(xì)胞回路來(lái)促進(jìn)行為持久性。
在這項(xiàng)研究中，研究人員采用了多種成像技術(shù)來(lái)觀察活體動(dòng)物大腦中的神經(jīng)活動(dòng)變化。特別是在跨物種驗(yàn)證評(píng)估氯胺酮對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)的影響方面，超維景提供的微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)（SUPERNOVA-100）發(fā)揮了重要作用，為理解情感障礙和開發(fā)新的治療方法提供重要的信息。“這種跨物種的保守性證據(jù)增加了在人類中存在類似機(jī)制的可能性。”超維景SUPERNOVA-100用戶、Johns Hopkins University神經(jīng)科學(xué)教授、論文共同作者之一Dwight Bergles表示。
2024年12月17日，由Harvard University、Howard Hughes Medical Institute (HHMI)、Johns Hopkins University等頂尖研究機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊Neuron上發(fā)表題為“Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)利用超維景的微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)（SUPERNOVA-100）成功實(shí)現(xiàn)對(duì)懸尾實(shí)驗(yàn)中小鼠腦內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定在體觀測(cè)，并結(jié)合其他研究方法，揭示氯胺酮（Ketamine）如何通過調(diào)節(jié)去甲腎上腺素和星形膠質(zhì)細(xì)胞的回路促進(jìn)行為韌性，為我們理解大腦如何調(diào)節(jié)行為提供了新線索。
研究表明，斑馬魚存在一種由行為無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為，與哺乳動(dòng)物的被動(dòng)應(yīng)對(duì)和習(xí)得性無(wú)助行為類似，而氯胺酮可調(diào)節(jié)此類行為。然而，在這些行為研究中，氯胺酮對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的急性影響并沒有被考慮，這使得氯胺酮對(duì)大腦活動(dòng)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響的機(jī)制與途徑尚不清楚。由于氯胺酮對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用范圍廣泛，研究者利用斑馬魚幼魚在行為過程中全腦可被成像的特點(diǎn)來(lái)探索氯胺酮的全腦效應(yīng)機(jī)制。
研究者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，先將斑馬魚的頭部嵌入瓊脂糖中，而尾部可自由活動(dòng)（圖1A）。實(shí)驗(yàn)分為休息、閉環(huán)和開環(huán)三個(gè)階段，在休息階段，光柵是靜止的；在閉環(huán)階段，光柵穩(wěn)定地向前移動(dòng)，通過視動(dòng)反應(yīng)誘導(dǎo)斑馬魚游動(dòng)，此階段斑馬魚一旦游動(dòng)，向前移動(dòng)的光柵會(huì)減速并改變方向，以此顯示斑馬魚自身的向前運(yùn)動(dòng)；在開環(huán)階段，光柵穩(wěn)定地向前移動(dòng)，而斑馬魚的游動(dòng)并不會(huì)影響光柵的運(yùn)動(dòng)，所以這種游動(dòng)是徒勞的。在開環(huán)階段，斑馬魚會(huì)表現(xiàn)出一段活力較高的游動(dòng)期，隨后會(huì)出現(xiàn)短暫的游動(dòng)停止，這是一種對(duì)徒勞游動(dòng)的“放棄”反應(yīng)（圖1B）。作者首先測(cè)試了氯胺酮的作用，在閉環(huán)階段，氯胺酮暴露的斑馬魚與正常的斑馬魚在游泳行為表現(xiàn)和游動(dòng)率上并無(wú)明顯區(qū)別；在開環(huán)階段，對(duì)照斑馬魚會(huì)在游動(dòng)、掙扎以及消極被動(dòng)狀態(tài)這幾種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，而氯胺酮暴露組的消極被動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間減少、呈劑量依賴性（圖1D-F）；以上情況排除了幼魚無(wú)法察覺徒勞游動(dòng)或者由于麻醉導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)緩慢的情況。從上述現(xiàn)象可以得出，氯胺酮抑制了因徒勞無(wú)果而產(chǎn)生的消極被動(dòng)性，并以一種有別于其麻醉或解離作用的方式促進(jìn)行為的堅(jiān)持。
圖1 短時(shí)間氯胺酮暴露可長(zhǎng)期抑制幼年斑馬魚在無(wú)效性誘導(dǎo)下的被動(dòng)行為
斑馬魚因無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)與嚙齒動(dòng)物習(xí)得性無(wú)助模型（如懸尾實(shí)驗(yàn)）有共同特征，即試圖擺脫厭惡情境的嘗試都是徒勞的，且都包含激烈掙扎和消極被動(dòng)狀態(tài)這兩種情況。在無(wú)效的情境下，小鼠和斑馬魚都會(huì)表現(xiàn)出從主動(dòng)行為向被動(dòng)行為的轉(zhuǎn)變。此前的研究表明，在斑馬魚中，無(wú)效運(yùn)動(dòng)在星形膠質(zhì)細(xì)胞中引起強(qiáng)烈的，通常是全腦的鈣信號(hào)（圖2A-C）。
為了確定星形膠質(zhì)細(xì)胞在小鼠習(xí)得性無(wú)助狀態(tài)下是否也有類似的特征，研究者利用了超維景微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)，在懸尾實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了小鼠的壓后皮層（RSC，接受密集的去腎上腺素能神經(jīng)元支配）中星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣瞬變情況。小鼠在徒勞掙扎的過程中，星形膠質(zhì)細(xì)胞整體鈣水平逐漸上升，從掙扎到靜止的過渡期間達(dá)到峰值，并在小鼠停止運(yùn)動(dòng)時(shí)恢復(fù)到基線水平（圖2D-F）。盡管這些行為和大腦區(qū)域并不相同，但小鼠的星形細(xì)胞活動(dòng)特點(diǎn)與斑馬魚非常相似，這為跨物種比較藥物對(duì)控制無(wú)效相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的神經(jīng)環(huán)路提供了可能性。
圖2 斑馬魚和嚙齒動(dòng)物無(wú)效性誘導(dǎo)被動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化潛力及其相似性
作者參考在小鼠中模擬HPA軸應(yīng)激引起抑郁的動(dòng)物模型，給與斑馬魚幼魚皮質(zhì)醇暴露48h后，斑馬魚幼魚出現(xiàn)了無(wú)效性誘導(dǎo)被動(dòng)性的顯著增加，并且這一現(xiàn)象可被氯胺酮逆轉(zhuǎn)。此外，也測(cè)試了一些近期合成的具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的致幻劑類似物，包括 R-69、AAZA-154和TBG，發(fā)現(xiàn)這些化合物與在嚙齒動(dòng)物模型中報(bào)道的一樣，能夠顯著減少斑馬魚的被動(dòng)行為，這表明它們的行為效應(yīng)在物種間是保守的。相比之下，在嚙齒動(dòng)物和人類中起效時(shí)間較長(zhǎng)的傳統(tǒng)抗抑郁藥，如選擇性SSRIs和三環(huán)類抗抑郁藥（TCAs），在單次給藥1小時(shí)后，沒有顯示出抑制被動(dòng)行為的效果。（圖2G-M）
Duque等人的該項(xiàng)研究，探討了氯胺酮（Ketamine）如何在行為絕望狀態(tài)下誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性變化，特別是在去甲腎上腺素-星形膠質(zhì)細(xì)胞回路中。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解氯胺酮快速抗抑郁效果的機(jī)制至關(guān)重要，同時(shí)也為開發(fā)新的治療情感障礙的策略提供了可能。
在這項(xiàng)研究中，研究人員采用了多種成像技術(shù)來(lái)觀察活體動(dòng)物大腦中的神經(jīng)活動(dòng)變化。特別是在跨物種驗(yàn)證評(píng)估氯胺酮對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)的影響方面，超維景提供的微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)（SUPERNOVA-100）發(fā)揮了重要作用，為理解情感障礙和開發(fā)新的治療方法提供重要的信息。“這種跨物種的保守性證據(jù)增加了在人類中存在類似機(jī)制的可能性。”超維景SUPERNOVA-100用戶、Johns Hopkins University神經(jīng)科學(xué)教授、論文共同作者之一Dwight Bergles表示。
2024年12月17日，由Harvard University、Howard Hughes Medical Institute (HHMI)、Johns Hopkins University等頂尖研究機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊Neuron上發(fā)表題為“Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)利用超維景的微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)（SUPERNOVA-100）成功實(shí)現(xiàn)對(duì)懸尾實(shí)驗(yàn)中小鼠腦內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定在體觀測(cè)，并結(jié)合其他研究方法，揭示氯胺酮（Ketamine）如何通過調(diào)節(jié)去甲腎上腺素和星形膠質(zhì)細(xì)胞的回路促進(jìn)行為韌性，為我們理解大腦如何調(diào)節(jié)行為提供了新線索。
研究表明，斑馬魚存在一種由行為無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為，與哺乳動(dòng)物的被動(dòng)應(yīng)對(duì)和習(xí)得性無(wú)助行為類似，而氯胺酮可調(diào)節(jié)此類行為。然而，在這些行為研究中，氯胺酮對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的急性影響并沒有被考慮，這使得氯胺酮對(duì)大腦活動(dòng)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響的機(jī)制與途徑尚不清楚。由于氯胺酮對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用范圍廣泛，研究者利用斑馬魚幼魚在行為過程中全腦可被成像的特點(diǎn)來(lái)探索氯胺酮的全腦效應(yīng)機(jī)制。
研究者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，先將斑馬魚的頭部嵌入瓊脂糖中，而尾部可自由活動(dòng)（圖1A）。實(shí)驗(yàn)分為休息、閉環(huán)和開環(huán)三個(gè)階段，在休息階段，光柵是靜止的；在閉環(huán)階段，光柵穩(wěn)定地向前移動(dòng)，通過視動(dòng)反應(yīng)誘導(dǎo)斑馬魚游動(dòng)，此階段斑馬魚一旦游動(dòng)，向前移動(dòng)的光柵會(huì)減速并改變方向，以此顯示斑馬魚自身的向前運(yùn)動(dòng)；在開環(huán)階段，光柵穩(wěn)定地向前移動(dòng)，而斑馬魚的游動(dòng)并不會(huì)影響光柵的運(yùn)動(dòng)，所以這種游動(dòng)是徒勞的。在開環(huán)階段，斑馬魚會(huì)表現(xiàn)出一段活力較高的游動(dòng)期，隨后會(huì)出現(xiàn)短暫的游動(dòng)停止，這是一種對(duì)徒勞游動(dòng)的“放棄”反應(yīng)（圖1B）。作者首先測(cè)試了氯胺酮的作用，在閉環(huán)階段，氯胺酮暴露的斑馬魚與正常的斑馬魚在游泳行為表現(xiàn)和游動(dòng)率上并無(wú)明顯區(qū)別；在開環(huán)階段，對(duì)照斑馬魚會(huì)在游動(dòng)、掙扎以及消極被動(dòng)狀態(tài)這幾種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，而氯胺酮暴露組的消極被動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間減少、呈劑量依賴性（圖1D-F）；以上情況排除了幼魚無(wú)法察覺徒勞游動(dòng)或者由于麻醉導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)緩慢的情況。從上述現(xiàn)象可以得出，氯胺酮抑制了因徒勞無(wú)果而產(chǎn)生的消極被動(dòng)性，并以一種有別于其麻醉或解離作用的方式促進(jìn)行為的堅(jiān)持。
圖1 短時(shí)間氯胺酮暴露可長(zhǎng)期抑制幼年斑馬魚在無(wú)效性誘導(dǎo)下的被動(dòng)行為
斑馬魚因無(wú)效性誘導(dǎo)的被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)與嚙齒動(dòng)物習(xí)得性無(wú)助模型（如懸尾實(shí)驗(yàn)）有共同特征，即試圖擺脫厭惡情境的嘗試都是徒勞的，且都包含激烈掙扎和消極被動(dòng)狀態(tài)這兩種情況。在無(wú)效的情境下，小鼠和斑馬魚都會(huì)表現(xiàn)出從主動(dòng)行為向被動(dòng)行為的轉(zhuǎn)變。此前的研究表明，在斑馬魚中，無(wú)效運(yùn)動(dòng)在星形膠質(zhì)細(xì)胞中引起強(qiáng)烈的，通常是全腦的鈣信號(hào)（圖2A-C）。
為了確定星形膠質(zhì)細(xì)胞在小鼠習(xí)得性無(wú)助狀態(tài)下是否也有類似的特征，研究者利用了超維景微型化雙光子顯微成像系統(tǒng)，在懸尾實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了小鼠的壓后皮層（RSC，接受密集的去腎上腺素能神經(jīng)元支配）中星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣瞬變情況。小鼠在徒勞掙扎的過程中，星形膠質(zhì)細(xì)胞整體鈣水平逐漸上升，從掙扎到靜止的過渡期間達(dá)到峰值，并在小鼠停止運(yùn)動(dòng)時(shí)恢復(fù)到基線水平（圖2D-F）。盡管這些行為和大腦區(qū)域并不相同，但小鼠的星形細(xì)胞活動(dòng)特點(diǎn)與斑馬魚非常相似，這為跨物種比較藥物對(duì)控制無(wú)效相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的神經(jīng)環(huán)路提供了可能性。
圖2 斑馬魚和嚙齒動(dòng)物無(wú)效性誘導(dǎo)被動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化潛力及其相似性
作者參考在小鼠中模擬HPA軸應(yīng)激引起抑郁的動(dòng)物模型，給與斑馬魚幼魚皮質(zhì)醇暴露48h后，斑馬魚幼魚出現(xiàn)了無(wú)效性誘導(dǎo)被動(dòng)性的顯著增加，并且這一現(xiàn)象可被氯胺酮逆轉(zhuǎn)。此外，也測(cè)試了一些近期合成的具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的致幻劑類似物，包括 R-69、AAZA-154和TBG，發(fā)現(xiàn)這些化合物與在嚙齒動(dòng)物模型中報(bào)道的一樣，能夠顯著減少斑馬魚的被動(dòng)行為，這表明它們的行為效應(yīng)在物種間是保守的。相比之下，在嚙齒動(dòng)物和人類中起效時(shí)間較長(zhǎng)的傳統(tǒng)抗抑郁藥，如選擇性SSRIs和三環(huán)類抗抑郁藥（TCAs），在單次給藥1小時(shí)后，沒有顯示出抑制被動(dòng)行為的效果。（圖2G-M）
Duque等人的該項(xiàng)研究，探討了氯胺酮（Ketamine）如何在行為絕望狀態(tài)下誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性變化，特別是在去甲腎上腺素-星形膠質(zhì)細(xì)胞回路中。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解氯胺酮快速抗抑郁效果的機(jī)制至關(guān)重要，同時(shí)也為開發(fā)新的治療情感障礙的策略提供了可能。
【參考文獻(xiàn)】
Duque, Marc et al. “Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance.” Neuron, S0896-6273(24)00836-5. 16 Dec. 2024, doi:10.1016/j.neuron.2024.11.011
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