利用微型化双光子显微成像系统揭示氯胺酮激活神经韧性的机制_abio生物试剂品牌网
在神经科学领域，氯胺酮（Ketamine）因其快速抗抑郁特性而备受关注。作为一种非竞争性NMDA受体拮抗剂，氯胺酮在临床治疗中显示出对抑郁症患者具有显著的疗效，尤其是在传统抗抑郁药物效果不佳的情况下。然而，氯胺酮如何迅速改变大脑活动并产生长期的行为效应，其背后的机制尚不完全清楚。为了深入探索这一问题，Duque等人进行了一系列实验并在最近于Neuron上发表了一篇研究论文《Ketamine induces plasticity in a norePInephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance》，该研究揭示了氯胺酮如何通过影响去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路来促进行为持久性。
在这项研究中，研究人员采用了多种成像技术来观察活体动物大脑中的神经活动变化。特别是在跨物种验证评估氯胺酮对星形胶质细胞活动的影响方面，超维景提供的微型化双光子显微成像系统（SUPERNOVA-100）发挥了重要作用，为理解情感障碍和开发新的治疗方法提供重要的信息。“这种跨物种的保守性证据增加了在人类中存在类似机制的可能性。”超维景SUPERNOVA-100用户、Johns Hopkins University神经科学教授、论文共同作者之一Dwight Bergles表示。
2024年12月17日，由Harvard University、Howard Hughes Medical Institute (HHMI)、Johns Hopkins University等顶尖研究机构组成的联合团队在国际著名期刊Neuron上发表题为“Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance”的研究论文。该团队利用超维景的微型化双光子显微成像系统（SUPERNOVA-100）成功实现对悬尾实验中小鼠脑内星形胶质细胞钙动态的稳定在体观测，并结合其他研究方法，揭示氯胺酮（Ketamine）如何通过调节去甲肾上腺素和星形胶质细胞的回路促进行为韧性，为我们理解大脑如何调节行为提供了新线索。
研究表明，斑马鱼存在一种由行为无效性诱导的被动性状态转换行为，与哺乳动物的被动应对和习得性无助行为类似，而氯胺酮可调节此类行为。然而，在这些行为研究中，氯胺酮对神经活动的急性影响并没有被考虑，这使得氯胺酮对大脑活动产生长期影响的机制与途径尚不清楚。由于氯胺酮对神经系统的作用范围广泛，研究者利用斑马鱼幼鱼在行为过程中全脑可被成像的特点来探索氯胺酮的全脑效应机制。
研究者在虚拟现实环境中进行无效性诱导的被动性实验，先将斑马鱼的头部嵌入琼脂糖中，而尾部可自由活动（图1A）。实验分为休息、闭环和开环三个阶段，在休息阶段，光栅是静止的；在闭环阶段，光栅稳定地向前移动，通过视动反应诱导斑马鱼游动，此阶段斑马鱼一旦游动，向前移动的光栅会减速并改变方向，以此显示斑马鱼自身的向前运动；在开环阶段，光栅稳定地向前移动，而斑马鱼的游动并不会影响光栅的运动，所以这种游动是徒劳的。在开环阶段，斑马鱼会表现出一段活力较高的游动期，随后会出现短暂的游动停止，这是一种对徒劳游动的“放弃”反应（图1B）。作者首先测试了氯胺酮的作用，在闭环阶段，氯胺酮暴露的斑马鱼与正常的斑马鱼在游泳行为表现和游动率上并无明显区别；在开环阶段，对照斑马鱼会在游动、挣扎以及消极被动状态这几种状态之间转换，而氯胺酮暴露组的消极被动状态的持续时间减少、呈剂量依赖性（图1D-F）；以上情况排除了幼鱼无法察觉徒劳游动或者由于麻醉导致运动缓慢的情况。从上述现象可以得出，氯胺酮抑制了因徒劳无果而产生的消极被动性，并以一种有别于其麻醉或解离作用的方式促进行为的坚持。
图1 短时间氯胺酮暴露可长期抑制幼年斑马鱼在无效性诱导下的被动行为
斑马鱼因无效性诱导的被动性实验与啮齿动物习得性无助模型（如悬尾实验）有共同特征，即试图摆脱厌恶情境的尝试都是徒劳的，且都包含激烈挣扎和消极被动状态这两种情况。在无效的情境下，小鼠和斑马鱼都会表现出从主动行为向被动行为的转变。此前的研究表明，在斑马鱼中，无效运动在星形胶质细胞中引起强烈的，通常是全脑的钙信号（图2A-C）。
为了确定星形胶质细胞在小鼠习得性无助状态下是否也有类似的特征，研究者利用了超维景微型化双光子显微成像系统，在悬尾实验中监测了小鼠的压后皮层（RSC，接受密集的去肾上腺素能神经元支配）中星形胶质细胞钙瞬变情况。小鼠在徒劳挣扎的过程中，星形胶质细胞整体钙水平逐渐上升，从挣扎到静止的过渡期间达到峰值，并在小鼠停止运动时恢复到基线水平（图2D-F）。尽管这些行为和大脑区域并不相同，但小鼠的星形细胞活动特点与斑马鱼非常相似，这为跨物种比较药物对控制无效相关状态转换的神经环路提供了可能性。
图2 斑马鱼和啮齿动物无效性诱导被动行为实验的转化潜力及其相似性
作者参考在小鼠中模拟HPA轴应激引起抑郁的动物模型，给与斑马鱼幼鱼皮质醇暴露48h后，斑马鱼幼鱼出现了无效性诱导被动性的显著增加，并且这一现象可被氯胺酮逆转。此外，也测试了一些近期合成的具有不同化学结构的致幻剂类似物，包括 R-69、AAZA-154和TBG，发现这些化合物与在啮齿动物模型中报道的一样，能够显著减少斑马鱼的被动行为，这表明它们的行为效应在物种间是保守的。相比之下，在啮齿动物和人类中起效时间较长的传统抗抑郁药，如选择性SSRIs和三环类抗抑郁药（TCAs），在单次给药1小时后，没有显示出抑制被动行为的效果。（图2G-M）
Duque等人的该项研究，探讨了氯胺酮（Ketamine）如何在行为绝望状态下诱导神经可塑性变化，特别是在去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路中。这一发现对于理解氯胺酮快速抗抑郁效果的机制至关重要，同时也为开发新的治疗情感障碍的策略提供了可能。
在这项研究中，研究人员采用了多种成像技术来观察活体动物大脑中的神经活动变化。特别是在跨物种验证评估氯胺酮对星形胶质细胞活动的影响方面，超维景提供的微型化双光子显微成像系统（SUPERNOVA-100）发挥了重要作用，为理解情感障碍和开发新的治疗方法提供重要的信息。“这种跨物种的保守性证据增加了在人类中存在类似机制的可能性。”超维景SUPERNOVA-100用户、Johns Hopkins University神经科学教授、论文共同作者之一Dwight Bergles表示。
2024年12月17日，由Harvard University、Howard Hughes Medical Institute (HHMI)、Johns Hopkins University等顶尖研究机构组成的联合团队在国际著名期刊Neuron上发表题为“Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance”的研究论文。该团队利用超维景的微型化双光子显微成像系统（SUPERNOVA-100）成功实现对悬尾实验中小鼠脑内星形胶质细胞钙动态的稳定在体观测，并结合其他研究方法，揭示氯胺酮（Ketamine）如何通过调节去甲肾上腺素和星形胶质细胞的回路促进行为韧性，为我们理解大脑如何调节行为提供了新线索。
研究表明，斑马鱼存在一种由行为无效性诱导的被动性状态转换行为，与哺乳动物的被动应对和习得性无助行为类似，而氯胺酮可调节此类行为。然而，在这些行为研究中，氯胺酮对神经活动的急性影响并没有被考虑，这使得氯胺酮对大脑活动产生长期影响的机制与途径尚不清楚。由于氯胺酮对神经系统的作用范围广泛，研究者利用斑马鱼幼鱼在行为过程中全脑可被成像的特点来探索氯胺酮的全脑效应机制。
研究者在虚拟现实环境中进行无效性诱导的被动性实验，先将斑马鱼的头部嵌入琼脂糖中，而尾部可自由活动（图1A）。实验分为休息、闭环和开环三个阶段，在休息阶段，光栅是静止的；在闭环阶段，光栅稳定地向前移动，通过视动反应诱导斑马鱼游动，此阶段斑马鱼一旦游动，向前移动的光栅会减速并改变方向，以此显示斑马鱼自身的向前运动；在开环阶段，光栅稳定地向前移动，而斑马鱼的游动并不会影响光栅的运动，所以这种游动是徒劳的。在开环阶段，斑马鱼会表现出一段活力较高的游动期，随后会出现短暂的游动停止，这是一种对徒劳游动的“放弃”反应（图1B）。作者首先测试了氯胺酮的作用，在闭环阶段，氯胺酮暴露的斑马鱼与正常的斑马鱼在游泳行为表现和游动率上并无明显区别；在开环阶段，对照斑马鱼会在游动、挣扎以及消极被动状态这几种状态之间转换，而氯胺酮暴露组的消极被动状态的持续时间减少、呈剂量依赖性（图1D-F）；以上情况排除了幼鱼无法察觉徒劳游动或者由于麻醉导致运动缓慢的情况。从上述现象可以得出，氯胺酮抑制了因徒劳无果而产生的消极被动性，并以一种有别于其麻醉或解离作用的方式促进行为的坚持。
图1 短时间氯胺酮暴露可长期抑制幼年斑马鱼在无效性诱导下的被动行为
斑马鱼因无效性诱导的被动性实验与啮齿动物习得性无助模型（如悬尾实验）有共同特征，即试图摆脱厌恶情境的尝试都是徒劳的，且都包含激烈挣扎和消极被动状态这两种情况。在无效的情境下，小鼠和斑马鱼都会表现出从主动行为向被动行为的转变。此前的研究表明，在斑马鱼中，无效运动在星形胶质细胞中引起强烈的，通常是全脑的钙信号（图2A-C）。
为了确定星形胶质细胞在小鼠习得性无助状态下是否也有类似的特征，研究者利用了超维景微型化双光子显微成像系统，在悬尾实验中监测了小鼠的压后皮层（RSC，接受密集的去肾上腺素能神经元支配）中星形胶质细胞钙瞬变情况。小鼠在徒劳挣扎的过程中，星形胶质细胞整体钙水平逐渐上升，从挣扎到静止的过渡期间达到峰值，并在小鼠停止运动时恢复到基线水平（图2D-F）。尽管这些行为和大脑区域并不相同，但小鼠的星形细胞活动特点与斑马鱼非常相似，这为跨物种比较药物对控制无效相关状态转换的神经环路提供了可能性。
图2 斑马鱼和啮齿动物无效性诱导被动行为实验的转化潜力及其相似性
作者参考在小鼠中模拟HPA轴应激引起抑郁的动物模型，给与斑马鱼幼鱼皮质醇暴露48h后，斑马鱼幼鱼出现了无效性诱导被动性的显著增加，并且这一现象可被氯胺酮逆转。此外，也测试了一些近期合成的具有不同化学结构的致幻剂类似物，包括 R-69、AAZA-154和TBG，发现这些化合物与在啮齿动物模型中报道的一样，能够显著减少斑马鱼的被动行为，这表明它们的行为效应在物种间是保守的。相比之下，在啮齿动物和人类中起效时间较长的传统抗抑郁药，如选择性SSRIs和三环类抗抑郁药（TCAs），在单次给药1小时后，没有显示出抑制被动行为的效果。（图2G-M）
Duque等人的该项研究，探讨了氯胺酮（Ketamine）如何在行为绝望状态下诱导神经可塑性变化，特别是在去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路中。这一发现对于理解氯胺酮快速抗抑郁效果的机制至关重要，同时也为开发新的治疗情感障碍的策略提供了可能。
【参考文献】
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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