新生神经元与神经元群竞争调节应激行为反应

《Cell Reports》：Newborn neurons compete with neuronal ensembles to moderate behavioral responses to stress

　　

成年海马齿状回（DG）中的新生神经元是超兴奋性、具有竞争性的细胞，参与应激行为和抗抑郁药的行为应答。新生神经元在调节应激行为反应中的竞争作用及其机制尚未得到全面研究。研究人员利用习得性无助（LH）范式中的FosTRAP2转基因小鼠，发现自愿跑轮运动——一种指南推荐的抑郁症干预措施——可诱导神经发生，且新生成的神经元与LH-TRAPed神经元竞争，从而减少应激诱导的无助行为。在机制上，研究人员发现增加神经发生足以通过p21激活激酶4（Pak4）降低LH-TRAPed神经元的树突棘密度，并减弱这些神经元的Ca²⁺活性。综上所述，研究结果表明，高兴奋性的新生神经元与LH-TRAPed神经元竞争，减弱无助行为，并为通常对负性事件记忆增强的抑郁个体提供治疗价值。

应激性生活事件是多种重大精神疾病特别是重度抑郁症（MDD）发作的显著风险因素。临床研究发现MDD患者存在对应激的适应性反应缺陷以及对负性信息的记忆增强，而海马在记忆和应激反应中发挥关键作用。应激经历中表达c-Fos的海马神经元构成一个活性神经元群体，足以诱导应激相关行为；化学遗传激活该神经元群可加重应激行为，而光遗传抑制则降低应激易感性。海马齿状回（DG）是成年大脑中少数持续进行神经发生的脑区，新生神经元具有超兴奋性和较低激活阈值，可能抑制成熟颗粒细胞活动。然而，新生神经元与负性经历激活的神经元群之间的机制联系仍不清楚。研究人员利用FosTRAP2转基因小鼠结合习得性无助（LH）范式，研究了成年海马神经发生在调节应激行为中的作用。他们通过多种策略增强神经发生（4D慢病毒扩增神经干细胞、自愿跑轮运动、氟西汀处理）或消融神经发生（局灶X射线照射），结合化学遗传学操控LH-TRAPed神经元，并运用离体膜片钳记录、光纤光度测定、单细胞RNA测序等方法，发现自愿跑轮运动增强的神经发生通过新生神经元与LH-TRAPed神经元竞争，减轻应激诱导的无助行为。机制上，新生神经元通过p21激活激酶4（Pak4）降低LH-TRAPed神经元的树突棘密度并减弱其Ca²⁺活性。这些结果说明高度可兴奋的新生神经元与无助相关神经元群竞争，减弱无助行为，为抑郁个体提供了潜在治疗策略。该研究发表在《Cell Reports》。

研究采用的主要关键技术方法包括：使用FosTRAP2转基因小鼠（Fos-iCreERT2 × ROSA-LSL-tdTomato）标记LH激活的神经元群；通过4D慢病毒（Glox4D）扩增神经干细胞、自愿跑轮运动或氟西汀增加神经发生，并用局灶X射线照射消融神经发生；利用DREADD化学遗传学工具（hM4Di/hM3Dq）抑制或激活LH-TRAPed神经元；进行离体全细胞膜片钳记录（mEPSC、诱发电位）及双膜片钳配对记录；采用光纤光度记录（GCaMP6s）监测体内Ca²⁺活性；使用Smart-seq2单细胞RNA测序及微滴式数字PCR（ddPCR）筛选并验证差异表达基因；通过在LH-TRAPed神经元中过表达Pak4验证功能。样本均来自成年雄性C57BL/6J小鼠及各转基因小鼠品系。

研究结果分述如下：

**增强成年神经发生减轻应激诱导的无助行为**：研究人员在nestin-CreERT2小鼠DG中注射4D慢病毒以扩增神经干细胞池，TAM诱导后Dcx+新生神经元比例显著增加，LH测试中逃避失败次数减少。自愿跑轮运动同样增加DG中Dcx+和BrdU+细胞数，并降低LH+小鼠的逃避失败次数；而局灶X射线照射消除神经发生并阻断运动的抗无助效应。化学遗传抑制新生神经元活性也阻断了跑轮运动的抗抑郁样行为效应。

**化学遗传操控LH-TRAPed神经元调节应激相关行为**：LH训练在FosTRAP2小鼠DG中产生更多tdTomato+神经元，且主要为兴奋性神经元。慢性化学遗传抑制（hM4Di+CNO，28天）显著减少LH测试中的逃避失败；急性抑制则降低悬尾试验（TST）不动时间并增加糖水偏好。激活LH-TRAPed神经元（hM3Dq）则逆转跑轮运动减轻的无助行为，使逃避失败次数回升。

**新生神经元与LH-TRAPed神经元竞争**：离体电生理记录显示，跑轮运动降低LH-TRAPed神经元的微小兴奋性突触后电流（mEPSC）频率，X射线照射可取消该效应；而新生神经元在跑轮运动后mEPSC频率升高。配对双膜片钳记录显示，在未运动LH+小鼠中LH-TRAPed神经元诱发的EPSC幅度大于新生神经元，而在跑轮运动组中新生神经元获得更大的诱发电位幅度，表明两者竞争内嗅皮层-海马通路（MPP）的兴奋性输入。

**跑轮运动增强的神经发生降低LH-TRAPed神经元树突棘密度**：形态学分析显示，跑轮运动组LH-TRAPed神经元树突棘密度显著低于未运动组，X射线照射可逆转该变化；但树突总长度和分支复杂度无差异。同时，跑轮运动增加了新生神经元的树突总长度、分支复杂性和棘密度。

**跑轮运动增强的神经发生降低LH-TRAPed神经元的Ca²⁺活性**：通过光纤光度记录GCaMP6s信号发现，足底电击诱发的Ca²⁺反应在LH+未运动组中随时间增强，而跑轮运动组反应明显减弱；X射线照射消融神经发生则使反应恢复到增强水平。

**氟西汀增加神经发生并降低LH-TRAPed神经元突触输入，产生抗抑郁样效应**：氟西汀慢性处理增加DG中Dcx+细胞数，减少LH测试逃避失败，并降低LH-TRAPed神经元的mEPSC频率和树突棘密度，但树突长度和复杂度无显著变化。

**Smart-seq2分析LH-TRAPed神经元**：对LH+NR和LH+Run小鼠的LH-TRAPed神经元进行单细胞RNA测序，共鉴定1,072个差异表达基因，其中483个上调、589个下调。GO分析富集到树突棘形态发生、突触后密度和树突等条目。ddPCR验证发现Pak4 mRNA水平在跑轮运动后显著降低。体外培养海马神经元经突触活性抑制剂（NBQX、APV、bicuculline）处理后，Pak4蛋白水平在24小时时下降。

**在LH-TRAPed神经元中过表达Pak4逆转跑轮运动减轻的无助行为**：在FosTRAP2小鼠DG中注射AAV-DIO-Pak4病毒特异过表达Pak4。行为学测试显示，Pak4过表达显著增加逃跑失败次数，逆转跑轮运动的抗无助效应。电生理记录显示Pak4过表达使mEPSC频率恢复至未运动组水平，形态学分析显示树突棘密度也恢复到未运动组水平。

在讨论部分，研究人员提出成年海马DG中的神经元竞争在塑造应激行为反应中发挥重要作用。高度可兴奋的新生神经元通过竞争MPP来源的兴奋性输入，降低LH-TRAPed神经元的树突棘密度和Ca²⁺活性，这可能涉及Pak4相关的结构重塑。研究还讨论了背侧与腹侧DG的异质性，以及氟西汀和跑轮运动可能通过增强神经发生发挥抗抑郁作用的共同机制，但也承认辐照消融神经发生可能影响DG微环境、跑轮运动本身具有非神经发生效应等局限。研究结论部分翻译如下：总之，我们的研究结果支持一个模型，即成年海马中产生的高兴奋性幼年颗粒细胞与无助相关神经元群竞争。通过将DG中的神经元竞争确定为连接成年神经发生与应激相关行为的机制，这项研究表明，促进DG环路重塑可能为应激相关行为障碍和情绪障碍的干预提供有前景的途径。