神经创伤啮齿动物模型中超声发声作为焦虑与抑郁标志物的研究进展

《Behavioural Brain Research》：Ultrasonic Vocalizations as Markers of Anxiety and Depression in Rodent Models of Neurotrauma

中枢神经系统（CNS）损伤与疾病常伴随情绪障碍，包括焦虑、抑郁及创伤后应激障碍。慢性疼痛症状亦是神经创伤与疾病的常见结局，并可进一步加剧情绪失调与生活质量下降。尽管人类在神经创伤后常报告情感障碍，但在临床环境中，相较于更明显的感觉运动缺陷，这些障碍往往未被充分识别和诊断。类似地，传统研究优先关注功能恢复，运动与认知结局较心理健康结局更常被系统评估。 为探究损伤后情绪障碍的发生机制，临床前模型在识别损伤后情感改变的生物学基础方面至关重要。啮齿动物被广泛用作神经创伤研究的模式生物，提供了一系列评估功能恢复、感觉运动反应及社会、认知和情感行为的行为学测量方法。然而，传统行为学测量在运动或认知缺陷固有的模型中其解读变得更为复杂。由于大鼠和小鼠无法直接自我报告其体验，研究人员必须依赖间接的行为代理指标，而这些指标往往高度依赖于运动能力（如探索行为）。 超声发声（USVs）是超出人类听觉上限（>20 kHz）的高频叫声，被啮齿动物（特别是大鼠和小鼠）用作社会与情感信息传递的关键形式。一个日益增长的生物声学研究领域致力于按声学特征（如叫声频率、持续时间、振幅和调制模式）对USVs进行分类，并将其与正性和负性情感状态相关联。在这些参数中，叫声频率迄今显示出与情感效价最一致的关联，而调制模式（如"平坦"与"颤音"USVs）和振幅则更密切地反映情感强度而非效价。 值得注意的是，大鼠和小鼠之间存在物种水平差异。小鼠发出的叫声在更宽的频率范围（30-110 kHz）内高度可变且频谱更复杂，通常更多与社会唤醒或求偶情境相关。相比之下，大鼠产生更具频率刻板性的USVs，相对更可靠地对应负性和正性情感状态。基于频率的分类方法——约22-29 kHz叫声（与痛苦、恐惧和厌恶体验相关）与约45-59 kHz叫声（与奖赏、社会互动和正性情感相关）——提供了组织、解释和理解USVs广泛情感维度的实用手段。 情感USV输出对药理学和神经调节操作高度敏感，表明USVs可被神经状态的改变系统性地调节，支持其作为情感过程可解读读数的价值。由于疼痛与情感状态密切相关，必须注意某些USV模式也可能反映疼痛相关过程。持续性疼痛可抑制50 kHz叫声，而60-80 kHz之间的高频发射也曾在疼痛性肌内注射中被报道。探索焦虑样、抑郁样与疼痛相关USVs之间的差异和关系，有助于在评估治疗效果时区分真正的情感转变与疼痛驱动的发声模式。 在非神经创伤模型中，慢性应激、社会互动和威胁暴露范式可靠地升高低频痛苦叫声并抑制探索行为，表明焦虑样状态与负性USV增加之间存在一致联系。22 kHz叫声的回放实验证明其可作为有效的厌恶线索，激活负责威胁加工和回避的脑区。抗焦虑治疗在焦虑条件化模型中选择性抑制22 kHz发射，支持其对焦虑相关反应的敏感性。然而，疼痛本身并不以与当前焦虑样发现可比的方式可靠地产生22 kHz叫声升高，即使行为证据明确显示不适。22 kHz叫声可能代表对疼痛作为伤害性刺激起始的短暂、情感衍生的警报反应，而非直接编码疼痛的感觉体验。 在奖赏与动机范式中，50 kHz大鼠USVs的增加伴随社会游戏、食欲线索和兴奋剂药物给药，表明正性情感和预期的增强。这种预期-奖赏反应的减少被假定为"快感缺失"的生物声学指标——即对通常奖赏性刺激失去兴趣或愉悦——以及伴随的社会和动机缺陷。抗抑郁和多巴胺能治疗可恢复或增强快感缺失模型中的50 kHz叫声。然而，正性USV的减弱并非抑郁样状态所独有，焦虑样啮齿动物在社会互动测试中也发出更少的50 kHz USVs，表明焦虑样和抑郁样行为与交流可能共享共同过程。 焦虑样和抑郁样表型常重叠，22 kHz和50 kHz USVs的类别变化目前最适宜在更广泛的情感维度中解读，包括效价、唤醒、威胁反应性和奖赏相关行为。当联合评估时，50 kHz发射减少和22 kHz痛苦叫声增加表明情感交流的破坏，特征是社交奖赏减弱和警报信号增强。这些双向转变可通过USV谱分析客观量化，并提供运动无关的情感变化读数。 神经创伤诱导超越损伤部位的广泛连接变化，包括大脑边缘系统区域。损伤相关的神经可塑性和神经炎症可扩散至边缘区域，升高促炎细胞因子水平和小胶质细胞激活，加剧焦虑样和抑郁样结局。边缘系统中的适应不良可塑性高度涉及创伤后焦虑样和抑郁样表型。损伤后神经可塑性和炎症变化表明，神经创伤与焦虑和抑郁相关疾病共享重叠的神经生物学病理生理学。 在现有行为学证据中，采用SCI和TBI模型的研究常报告焦虑样行为升高，表现为对开放或明亮区域的探索减少。然而，部分研究发现效应最小或不一致。抑郁样结局受到较少关注并显示更大的方法学变异性，但蔗糖偏好减少（快感缺失）、社会互动减少（社会回避）或强迫游泳活动减少（行为绝望或无助）均被解读为神经创伤后抑郁样状态的指标。实验干预已证明损伤后焦虑样和抑郁样行为在生物学上是可调节的，即使运动障碍持续存在。 目前直接检查CNS损伤后USVs的研究有限。在卒中模型中，大脑中动脉闭塞（MCAO）大鼠在损伤后六周表现出持续的50 kHz USV改变，产生更简单、更短持续时间且频率调制减少的USVs。在发育性卒中模型中，暴露于皮质缺血的大鼠幼崽发出更少且更短的隔离叫声。在爆炸诱导的轻度TBI模型中，小鼠在损伤后产生明显更少的叫声和更少的调制复杂性，且爆炸暴露可短暂升高USV检测阈值。目前尚无研究在SCI背景下检查USVs与焦虑样和抑郁样结局的关系，代表该领域的明确空白。 方法学考虑方面，高质量的全向超声麦克风放置在笼子上方或附近通常提供最佳覆盖。支持高采样率（约250 kHz）的商业麦克风适用于确保保真度。音频和数据采集可通过多种软件工具完成，从简单的数字音频工作站到专门的生物声学程序。基于机器学习工具（如DeepSqueak）应用卷积神经网络大规模检测、分类和提取声学特征，实现更高通量和更标准化的USV处理。非发声和机械噪声仍是USV分析中最持续的挑战之一，需要基线无动物条件记录和保守的降噪处理。 模型混杂因素方面，神经创伤本身可能改变支配USV产生的发声运动和认知过程。损伤位置强烈影响发声运动损伤的严重程度。在SCI中，损伤水平在很大程度上决定呼吸中断的程度：C5以上的颈段病变损害膈肌功能并减弱吸气驱动，可能限制USV起始或持续时间。胸段病变通常保留膈肌但减少呼气肋间肌和腹肌的控制和力量，可能干扰USV强度或调制。

论文解读：神经创伤啮齿动物模型中超声发声作为焦虑与抑郁标志物的研究进展

一、研究背景与问题

中枢神经系统（CNS）损伤与疾病常伴随情绪障碍，包括焦虑、抑郁及创伤后应激障碍（PTSD）。慢性疼痛症状亦是神经创伤与疾病的常见结局，并可进一步加剧情绪失调与生活质量下降。尽管人类在神经创伤后常报告情感障碍，但在临床环境中，相较于更明显的感觉运动缺陷，这些障碍往往未被充分识别和诊断。传统研究优先关注功能恢复，运动与认知结局较心理健康结局更常被系统评估。

为探究损伤后情绪障碍的发生机制，临床前模型在识别损伤后情感改变的生物学基础方面至关重要。啮齿动物被广泛用作神经创伤研究的模式生物，提供了一系列评估功能恢复、感觉运动反应及社会、认知和情感行为的行为学测量方法。然而，传统行为学测量在运动或认知缺陷固有的模型中其解读变得更为复杂。由于大鼠和小鼠无法直接自我报告其体验，研究人员必须依赖间接的行为代理指标，而这些指标往往高度依赖于运动能力（如探索行为）。通常，对此运动混杂因素的第一道防线仅是将神经损伤列为潜在混杂因素并作为公认局限。在此类情境中，损伤后运动减少可能更多反映运动能力受损而非情感障碍。因此，开发较少依赖运动表现的互补性情感指标，在临床前神经创伤模型中具有特别价值。

二、研究内容与结论

超声发声（USVs）是超出人类听觉上限（>20 kHz）的高频叫声，被啮齿动物用作社会与情感信息传递的关键形式。一个日益增长的生物声学领域致力于按声学特征对USVs进行分类，并将其与正性和负性情感状态相关联。在这些参数中，叫声频率迄今显示出与情感效价（valence）最一致的关联，而调制模式和振幅则更密切地反映情感强度而非效价。

大鼠和小鼠之间存在物种水平差异。小鼠发出的叫声在更宽的频率范围（30-110 kHz）内高度可变且频谱更复杂，通常更多与社会唤醒或求偶情境相关。相比之下，大鼠产生更具频率刻板性的USVs，相对更可靠地对应负性和正性情感状态。基于频率的分类方法——约22-29 kHz叫声（与痛苦、恐惧和厌恶体验相关）与约45-59 kHz叫声（与奖赏、社会互动和正性情感相关）——提供了组织、解释和理解USVs广泛情感维度的实用手段。

情感USV输出对药理学和神经调节操作高度敏感，表明USVs可被神经状态的改变系统性地调节，支持其作为情感过程可解读读数的价值。由于疼痛与情感状态密切相关，某些USV模式也可能反映疼痛相关过程。持续性疼痛可抑制50 kHz叫声，而60-80 kHz之间的高频发射也曾在疼痛性肌内注射中被报道。探索焦虑样、抑郁样与疼痛相关USVs之间的差异和关系，有助于在评估治疗效果时区分真正的情感转变与疼痛驱动的发声模式。

在非神经创伤模型中，慢性应激、社会互动和威胁暴露范式可靠地升高低频痛苦叫声并抑制探索行为，表明焦虑样状态与负性USV增加之间存在一致联系。22 kHz叫声的回放实验证明其可作为有效的厌恶线索，激活负责威胁加工和回避的脑区。抗焦虑治疗在焦虑条件化模型中选择性抑制22 kHz发射，支持其对焦虑相关反应的敏感性。然而，疼痛本身并不以与当前焦虑样发现可比的方式可靠地产生22 kHz叫声升高。22 kHz叫声可能代表对疼痛作为伤害性刺激起始的短暂、情感衍生的警报反应，而非直接编码疼痛的感觉体验。

在奖赏与动机范式中，50 kHz大鼠USVs的增加伴随社会游戏、食欲线索和兴奋剂药物给药，表明正性情感和预期的增强。这种预期-奖赏反应的减少被假定为"快感缺失"（anhedonia）的生物声学指标。抗抑郁和多巴胺能治疗可恢复或增强快感缺失模型中的50 kHz叫声。然而，正性USV的减弱并非抑郁样状态所独有，焦虑样啮齿动物在社会互动测试中也发出更少的50 kHz USVs，表明焦虑样和抑郁样行为与交流可能共享共同过程。

焦虑样和抑郁样表型常重叠，22 kHz和50 kHz USVs的类别变化目前最适宜在更广泛的情感维度中解读，包括效价、唤醒、威胁反应性和奖赏相关行为。当联合评估时，50 kHz发射减少和22 kHz痛苦叫声增加表明情感交流的破坏，特征是社交奖赏减弱和警报信号增强。这些双向转变可通过USV谱分析客观量化，并提供运动无关的情感变化读数。

神经创伤诱导超越损伤部位的广泛连接变化，包括大脑边缘系统区域。损伤相关的神经可塑性和神经炎症可扩散至边缘区域，升高促炎细胞因子水平和小胶质细胞激活，加剧焦虑样和抑郁样结局。边缘系统中的适应不良可塑性高度涉及创伤后焦虑样和抑郁样表型。损伤后神经可塑性和炎症变化表明，神经创伤与焦虑和抑郁相关疾病共享重叠的神经生物学病理生理学。

在现有行为学证据中，采用SCI和TBI模型的研究常报告焦虑样行为升高，表现为对开放或明亮区域的探索减少。然而，部分研究发现效应最小或不一致。抑郁样结局受到较少关注并显示更大的方法学变异性，但蔗糖偏好减少、社会互动减少或强迫游泳活动减少均被解读为神经创伤后抑郁样状态的指标。实验干预已证明损伤后焦虑样和抑郁样行为在生物学上是可调节的，即使运动障碍持续存在。

目前直接检查CNS损伤后USVs的研究有限。在卒中模型中，大脑中动脉闭塞（MCAO）大鼠在损伤后六周表现出持续的50 kHz USV改变，产生更简单、更短持续时间且频率调制减少的USVs。在发育性卒中模型中，暴露于皮质缺血的大鼠幼崽发出更少且更短的隔离叫声。在爆炸诱导的轻度TBI模型中，小鼠在损伤后产生明显更少的叫声和更少的调制复杂性，且爆炸暴露可短暂升高USV检测阈值。目前尚无研究在SCI背景下检查USVs与焦虑样和抑郁样结局的关系，代表该领域的明确空白。

三、关键技术方法

研究人员采用的关键技术方法主要包括：高质量全向超声麦克风系统进行USV采集，支持约250 kHz高采样率以确保声学保真度；数字音频工作站或专门生物声学程序（如Avisoft SASLab Pro、MUPET）进行声学可视化和半自动叫声分割；基于机器学习工具（如DeepSqueak）应用卷积神经网络大规模检测、分类和提取声学特征；基线无动物条件记录用于识别噪声特征并进行保守降噪处理；以及自动化USV检测后的人工确认验证流程。

四、研究结果

4.1 非神经创伤模型中的USVs与焦虑研究： 慢性应激、社会隔离或失败范式可靠地升高低频痛苦叫声并抑制探索行为。22 kHz叫声的回放实验证明其可作为有效的厌恶线索。抗焦虑治疗选择性抑制22 kHz发射，支持其对焦虑相关反应的敏感性。疼痛本身并不以可比方式可靠产生22 kHz叫声升高。

4.2 奖赏与动机范式中的USVs与抑郁研究： 50 kHz USVs的增加伴随社会游戏和奖赏预期。这种预期-奖赏反应的减少被假定为快感缺失的生物声学指标。抗抑郁和多巴胺能治疗可恢复50 kHz叫声。然而，正性USV的减弱并非抑郁样状态所独有，焦虑样啮齿动物也发出更少的50 kHz USVs。

4.3 焦虑与抑郁共病中的USVs： 焦虑样和抑郁样表型常重叠，22 kHz和50 kHz USVs的类别变化最适宜在更广泛的情感维度中解读。50 kHz发射减少和22 kHz痛苦叫声增加表明情感交流的破坏，可通过USV谱分析客观量化。

4.4 神经创伤后情感变化及USVs的潜在作用： 神经创伤诱导边缘系统适应不良可塑性，损伤后神经可塑性和炎症变化与焦虑和抑郁相关疾病共享重叠的神经生物学病理生理学。SCI和TBI模型常报告焦虑样行为升高，但部分研究效应不一致。抑郁样结局显示更大的方法学变异性。

4.5 神经创伤后焦虑与抑郁的现有USV证据： MCAO大鼠产生更简单、更短持续时间且频率调制减少的USVs。皮质缺血大鼠幼崽发出更少且更短的隔离叫声。爆炸诱导TBI小鼠产生明显更少的叫声和更少的调制复杂性。目前尚无研究在SCI背景下检查USVs与焦虑样和抑郁样结局的关系。

五、讨论与结论

方法学考虑方面，高质量的全向超声麦克风放置在笼子上方或附近通常提供最佳覆盖。支持高采样率的商业麦克风适用于确保保真度。音频和数据采集可通过多种软件工具完成。基于机器学习工具应用卷积神经网络实现更高通量和更标准化的USV处理。非发声和机械噪声仍是USV分析中最持续的挑战之一，需要基线无动物条件记录和保守的降噪处理。

模型混杂因素方面，神经创伤本身可能改变支配USV产生的发声运动和认知过程。损伤位置强烈影响发声运动损伤的严重程度。在SCI中，C5以上的颈段病变损害膈肌功能并减弱吸气驱动，可能限制USV起始或持续时间。胸段病变通常保留膈肌但减少呼气肋间肌和腹肌的控制和力量，可能干扰USV强度或调制。

结论部分指出，USVs补充传统行为学测量，为解读损伤后焦虑样和抑郁样结局提供额外背景。利用USVs作为客观、可量化的生物声学测量，有助于解决当情感状态难以与损伤相关障碍分离时运动依赖行为学测试的局限。将USV分析整合入临床前模型可帮助在情感和功能领域进行解读，并在损伤后恢复过程中提供更完整的情感变化图景。标准化方法（包括记录条件、分析流程和跨物种可比性）的建立，将有助于提高跨研究和跨物种的比较性，推动USV分析作为神经创伤模型中焦虑与抑郁标志物的可靠应用。