Nature:解析精准的神经环路——原来脑啡肽使我们饿的时候吃得更多!
阿片及阿片类物质的成瘾性导致严重的药物滥用。多种阿片类物质和内源性阿片样肽通过激活中脑边缘环路中的mu阿片样肽受体(MOPR)介导奖赏相关行为,其中包括伏隔核内侧壳(mNAcSh)这一脑区。已有研究表明mNAcSh中MOPR的激活可导致奖赏相关行为,但由于研究方法的限制,内源性阿片样肽的奖赏相关环路和细胞机制仍存在大量未知。
华盛顿大学成瘾、疼痛和情感神经生物学研究中心的Michael Bruchas团队于2021年10月13日在Naure发表研究论文:An endogenous opioid circuit determines state-dependent reward consumption,揭示了mNAcSh中释放的脑啡肽通过激活中缝背核(DRN)投射到mNAcSh神经末梢上的MOPR,使小鼠在食物剥夺后吃得更多。
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首先,研究人员向mNAcSh中注射MOPR选择性拮抗剂CTAP,发现CTAP降低了食物剥夺后的进食增加。并且全身敲除Oprm1小鼠的进食增加行为被完全拮抗。
为了明确是哪一类神经元表达的MOPR参与进食增加,研究人员敲除了Pdyn+或Penk+神经元中的Oprm1,发现只有Penk+神经元中Oprm1的缺失导致进食增加的减少。但是,研究人员敲除mNAcSh神经元的Oprm1后却发现进食增加的行为没有被抑制,而逆行敲除投射到mNAcSh的神经元的Oprm1后进食增加的行为被抑制(图.1f)。
以上结果说明投射到mNAcSh的、表达Penk和Oprm1的神经元对于进食增加行为是必要的。
图1:mNAcSh中的MOPR对于进食增加是必要的
a.食物剥夺后进食增加。b-c. mNAcSh中注射CTAP或 Oprm1敲除抑制进食增加行为。d-e. 选择性敲除Penk+细胞的Oprm1降低了进食增加行为。f. 敲除mNAcSh中的Oprm1没有降低进食增加,而逆行敲除投射到mNAcSh的神经元的Oprm1降低了进食增加行为。
进一步,研究人员通过逆行标记投射到mNAcSh的Penk+神经元锁定了DRN旁侧(LDRN)这一脑区。荧光原位杂交显示LDRN中Penk+神经元有一半同时表达Oprm1。
对LDRNPenk -> mNAcSh神经元末梢进行在体钙成像记录显示在食物/水剥夺后的进食行为中,钙信号显著降低,并可被纳洛酮拮抗,说明该投射神经元的神经末梢的钙信号降低具有MOPR依赖性。
图 2:LDRNPenk -> mNAcSh神经元呈现阿片肽依赖性
a. 逆行标记投射到mNAcSh的Penk+神经元,发现LDRN神经元被标记。b-c. LDRNPenk有一半表达Oprm1。d-g. 在体钙信号显示DRNPenk -> mNAcSh神经元的末梢钙信号,水剥夺后舔水嘴时降低的钙信号可被纳洛酮拮抗。
在条件性敲除Penk+神经元中的MOPR后再恢复LDRNPenk神经元中的MOPR表达,使进食增加行为被恢复。更加细致地,研究人员在LDRNPenk -> mNAcSh神经元上表达光激活的opto-MOPR嵌合受体,在mNAcSh中光激活末梢上的MOPR受体,原本被纳洛酮拮抗的进食增加行为被恢复。
以上结果综合说明LDRNPenk -> mNAcSh神经元末梢上的MOPR对于进食增加行为是充分且必要的。
图3:LDRNPenk->mNAcSh神经元MOPR的激活对于进食增加行为是充分的
a-e. 恢复LDRNPenk 的MOPR表达,恢复了进食增加行为和吗啡的条件位置偏爱。f-h. 纳洛酮能降低水剥夺后舔水嘴增加行为。利用opto-MOR光激活DRNPenk -> mNAcSh的神经末梢上的MOPR能拮抗纳洛酮导致的舔水嘴次数降低。
那么,是什么配体激活了LDRNPenk -> mNAcSh神经元末梢上的MOPR?该配体又来源于什么细胞?研究人员利用半胱天冬酶损毁mNAcShPenk神经元、DREADD Gi抑制mNAcShPenk神经元,发现进食增加行为被显著抑制;用DREADD Gq激活mNAcShPenk神经元,发现进食增加行为被显著增加。
以上结果说明mNAcShPenk神经元对于进食增加行为是必要的,但还不能说明该神经元是否释放脑啡肽且作用于LDRNPenk -> mNAcSh神经元末梢上的MOPR。
进一步,研究人员利用CRISPR/SaCas9使mNAcShPenk神经元的Penk突变,发现进食增加行为被显著抑制。同时对LDRNPenk -> mNAcSh神经元的神经末梢进行在体钙成像记录,结果显示CRISPR显著抑制了钙信号的降低。
以上结果说明mNAcShPenk神经元释放的脑啡肽通过激活LDRNPenk -> mNAcSh神经元末梢上的MOPR,参与食物剥夺后的进食增加行为。
图4:mNAcSh中的脑啡肽对于进食增加行为是必要的
a-c. 利用半胱天冬酶损毁mNAcShPenk神经元降低了进食增加。d-f. 利用CRISPR/SaCas9引起mNAcSh的Penk突变降低了进食增加。g-j. 利用CRISPR/SaCas9引起mNAcSh的Penk突变的同时记录LDRNPenk -> mNAcSh神经末梢钙活动,进食行为中钙活动的降低被拮抗。
该研究的亮点在于运用条件性基因敲除/敲入、CRISPR基因编辑、光遗传学、化学遗传学和在体钙信号记录的研究手段,精确解析了MOPR所在细胞位置和对应配体脑啡肽的细胞来源,并且揭示了表达MOPR的DRN神经元参与食物剥夺后的进食增加这一新知。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04013-0
Nature评论文章:
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02723-z
Castro DC, Oswell CS, Zhang ET, Pedersen CE, Piantadosi SC, Rossi MA, Hunker AC, Guglin A, Morón JA, Zweifel LS, Stuber GD, Bruchas MR. An endogenous opioid circuit determines state-dependent reward consumption. Nature. 2021 Oct 13. doi: 10.1038/s41586-021-04013-0. Epub ahead of print. PMID: 34646022.
编译作者:Hong Chaoli(brainnews创作团队)
校审:Simon(brainnews编辑部)