利用微型化雙光子顯微技術(shù)揭示恐懼和焦慮新機制

2024年2月12日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李曉明教授團(tuán)隊在國際著名期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience）上發(fā)表題為“一條細(xì)胞特異性的前腦至后腦四級神經(jīng)環(huán)路能夠獨立于杏仁核介導(dǎo)嗅覺本能恐懼和焦慮”(A molecularly defined amygdala-independent tetra-synaptic forebrain-to-hindbrain pathway for odor-driven innate fear and anxiety) 的研究論文。利用微型化雙光子成像技術(shù)等研究手段，發(fā)現(xiàn)了腦內(nèi)主嗅球→腳背側(cè)皮層→外側(cè)臂旁核→丘腦下旁核通路在嗅覺本能恐懼和焦慮中的重要作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)主嗅球（main olfactory bulb, MOB） —— 腳背側(cè)皮層（dorsal peduncular cortex, DP）這條神經(jīng)環(huán)路參與TMT（狐貍糞便中的成分類似物，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中常作為恐懼刺激源）誘導(dǎo)的嗅覺本能恐懼，聯(lián)合病毒示蹤及膜片鉗電生理等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)DP可以與前端淺層外側(cè)臂旁核（superior part of lateral parabrachial nucleus, PBNsl）膽囊收縮素（cholecystokinin, Cck）陽性神經(jīng)元形成興奮性突觸連接，而PBNsl^Cck+陽性神經(jīng)元又可以繼續(xù)下行支配丘腦下旁核（parasubthalamic nucleus, PSTh）的速激肽1（tachykinin 1, Tac1）陽性神經(jīng)元，最終繪制出一條具有分子特異性標(biāo)記的MOB^Slc17a7+→DP^Camk2a+→anterior PBNsl^Cck+→PSTh^Tac1+四級神經(jīng)環(huán)路。

為了研究這一四級神經(jīng)環(huán)路是否介導(dǎo)嗅覺本能恐懼這一科學(xué)問題，研究人員采用雙光子成像等技術(shù)對這一神經(jīng)環(huán)路的功能展開了進(jìn)一步研究。雙光子的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)小鼠嗅探水時，僅有5%的前部PBNs1^Cck+神經(jīng)元響應(yīng)，而在TMT存在時，57%的前部PBNs1^Cck+神經(jīng)元活動增加（圖1）。作者同樣測試了小鼠PBNs1^Cck+神經(jīng)元對狐貍尿液、雄性小鼠尿液以及花生油的響應(yīng)模式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)小鼠嗅探狐貍尿液時，有55%的PBNs1^Cck+神經(jīng)元活動增加，而嗅探雄性小鼠尿液和花生油時，僅有10%前部PBNs1^Cck+神經(jīng)元活動增加（圖2）。以上結(jié)果表明，該神經(jīng)環(huán)路在TMT誘發(fā)的嗅覺本能恐懼逃跑行為中顯著激活。

圖1. TMT，Water靠近小鼠鼻子時前端PBNsl^Cck+陽性神經(jīng)元的微型化雙光子鈣成像結(jié)果

圖2. Fox urine、Male urine、Peanut oil靠近小鼠鼻子時前端PBNsl^Cck+陽性神經(jīng)元的微型化雙光子鈣成像結(jié)果

該研究新發(fā)現(xiàn)一條主嗅球→腳背側(cè)皮層→外側(cè)臂旁核→丘腦下旁核的四級神經(jīng)環(huán)路，并揭示該通路能夠以獨立于杏仁核的方式，參與并調(diào)控嗅覺本能恐懼和焦慮。這項研究不僅拓展并加深了人們對恐懼和焦慮神經(jīng)機制的理解和認(rèn)識，也為理解焦慮障礙等精神疾病的發(fā)病機制提供了新的思路。此外，由于這條神經(jīng)環(huán)路是由嗅覺介導(dǎo)的，一個臨床治療方面的價值是：利用氣味來治療恐懼癥、焦慮障礙等精神疾病有了新的理論支持。