多组学揭示模拟太空复合环境引发情绪功能障碍的神经连接机制

《Translational Psychiatry》：Multi-connectomics underpin emotional dysfunction in mouse exposed to simulated space composite environment

本研究针对长期太空任务中宇航员情绪健康维护的迫切需求，通过整合行为表型分析、多模态磁共振成像、在体钙成像和全脑基因组学技术，系统揭示了模拟太空复合环境（SSCE）通过破坏多尺度功能连接、改变宏观功能梯度并逆转脑功能与情绪行为关系，导致前额叶皮层（PFC）灰质体积减少和内侧前额叶（mPFC）至伏隔核（NAc）神经元活动持续抑制的神经机制，为开发太空任务中脑功能保护策略提供了多尺度理论依据。

　　

随着阿尔忒弥斯计划推进载人登月（2030年）和火星探测（2040年）任务的实施，长期太空飞行对宇航员心理健康的影响日益受到关注。太空环境的独特压力源——包括微重力、噪声干扰、昼夜节律紊乱和社会隔离等——可能引发情绪状态的动态演变，这种影响随着任务时长增加而加剧。然而，现有研究多聚焦于孤立时间点和特定脑区，缺乏对脑区间功能连接随时间变化的神经生物学机制的系统阐释，更忽视了脑区动态交互在长期太空飞行情绪适应中的关键作用。

为填补这一空白，天津大学明东团队在《Translational Psychiatry》发表最新研究，通过构建模拟太空复合环境（SSCE）小鼠模型，首次整合行为表型、多模态磁共振成像（MRI）、在体钙成像和全脑基因组学技术，从宏观脑功能、介观神经活动到微观基因表达层面，动态解析了太空环境对情绪行为的跨尺度调控机制。

关键技术方法包括：利用9.4T Bruker MRI扫描仪获取小鼠灰质体积（GMV）和静息态功能连接（FC）数据；通过光纤光度法记录mPFC投射至NAc神经元（mPFC^NAc）在悬尾实验（TST）和社会辨别测试（SDT）中的钙信号；结合艾伦脑科学研究所（AIBS）的转录组数据，进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析；采用30°尾悬吊模拟微重力，并结合社会隔离、空间限制、背景噪声（60-75 dB）和90分钟昼夜周期构建SSCE模型。

研究结果

灰质体积减少

通过高分辨率结构MRI和TMBTA脑区划分，发现2周SSCE暴露主要引起大脑核团（如杏仁核、尾壳核、伏隔核）GMV降低，而4周暴露后损害扩展至感觉运动皮层、前额叶皮层（PFC）等皮质区域。PFC的四个子区域灰质体积在4周组均显著下降，表明长期暴露对高级认知中枢的累积损伤。

多尺度功能连接改变

静息态功能磁共振（rs-fMRI）显示，SSCE暴露导致全脑功能连接强度普遍降低。2周暴露时，功能连接减弱集中于感觉皮层和下丘脑；4周时，功能连接异常扩展至皮质下核团。边缘水平分析发现，2周组出现皮质-皮质下功能连接过度增强（如前额叶与视觉皮层），而4周组表现为感觉区与皮质下板的功能连接减弱。线性混合效应（LME）模型进一步证实，暴露时间与条件的交互作用主要影响皮质-皮质连接。

宏观功能梯度重组

通过降维分析构建的功能梯度显示，健康小鼠皮层存在从单模态感觉区到跨模态联合区的层级梯度。SSCE暴露2周时，跨模态网络梯度分散度增加，表明白噪声干扰下的网络整合失调；而4周暴露后，单模态网络梯度得分上升，提示代偿性重组。前额叶皮层内梯度分散度持续增加，表明其功能整合能力受损。

脑-情绪行为关系逆转

相关性分析发现，对照组小鼠的脑功能连接（如前额叶网络与海马连接）与高架十字迷宫（EPM）表现负相关，而SSCE组该关系消失。在社会测试中，两组小鼠的脑-行为关联模式呈显著负相关，表明太空环境导致情绪信息处理机制发生根本性重构。

情绪行为自我重构

行为测试显示，SSCE暴露2周时小鼠悬尾实验不动时间显著增加（抑郁样行为），社会偏好指数转为负值；4周时社会能力部分恢复但未达正常水平，表明情绪行为呈现动态自我调整特征。

mPFC^NAc神经元活动抑制

病毒追踪技术证实mPFC至NAc存在单突触兴奋性投射。钙成像记录发现，对照组小鼠在悬尾实验挣扎期mPFC^NAc神经元活动显著增强，而SSCE组该活动持续抑制，且在社会互动中对新异小鼠的反应活性恢复延迟。

转录组关联分析

基因表达谱与PFC功能改变关联分析发现，2周和4周暴露分别有2423和1481个差异表达基因（DEGs）显著富集于突触膜、树突、离子通道活性等术语。KEGG通路分析提示昼夜节律、谷氨酸能突触、钙信号通路可能介导SSCE诱导的神经功能重塑。

结论与意义

本研究首次通过多尺度整合策略揭示：短期SSCE暴露（2周）通过破坏感觉-联合皮层梯度平衡和mPFC^NAc环路兴奋性，引发急性情绪失调；长期暴露（4周）则触发代偿性网络重组，但伴随PFC灰质萎缩和社交行为持续异常。这些发现不仅为理解太空环境下的情绪适应机制提供了从分子到行为的多层次证据，更为开发针对长期太空任务的脑功能保护干预策略奠定了理论基础。该模型的价值超越了对太空飞行心理行为的预测，为极端环境下情感神经科学理论发展提供了新范式。