致胖饮食通过改变海马CA2兴奋性和催产素信号损害社交记忆

《Cell Reports》：Obesogenic diet impairs social memory through alterations of hippocampal CA2 excitability and oxytocin signaling

　　

虽然肥胖会诱发心脏代谢疾病和认知缺陷，但其潜在的神经机制仍未被探索。在小鼠中，暴露于致胖的高脂高糖饮食（high-fat and sugar diet，HFD）会导致雄性和雌性小鼠的社交识别记忆缺陷，这一过程依赖于海马CA₂区和催产素（oxytocin，OT）信号。HFD喂养的小鼠对CA₂锥体神经元具有更强的输入，导致动作电位放电增加，而不改变内在特性或抑制性传递。对HFD喂养小鼠进行化学遗传学CA₂锥体神经元抑制可恢复社交新颖性辨别，其中雄性表现出新颖偏好，雌性表现出熟悉偏好。研究人员还观察到，HFD在雄性和雌性中均损害了催产素受体（oxytocin receptor，OTR）激活对内源性大麻素（endocannabinoid，eCB）介导可塑性的许可能力。此外，化学遗传学抑制CA₂锥体神经元可恢复HFD喂养雄性和雌性小鼠中OT诱导的eCB可塑性，而在对照饮食喂养的小鼠中则阻止了eCB可塑性。以浓度依赖的方式，OT恢复了兴奋性反应的增强，允许在CA₂抑制性突触上发生eCB可塑性，并恢复了HFD喂养小鼠的社交新颖性辨别。本研究揭示了神经调节与eCB介导的可塑性在社交记忆过程中的机制联系，并揭示了致胖饮食对这一过程的有害后果。

该研究发表于《Cell Reports》。全球近半数人口超重或肥胖，西方饮食中富含饱和脂肪和精制糖的过量摄入是主要驱动因素。虽然肥胖的代谢、心血管及致癌后果已有充分记录，但其对认知功能的影响及其神经机制尚不清楚。在啮齿动物中，暴露于致胖的高脂高糖饮食（high-fat and sugar diet，HFD）会导致海马依赖的学习记忆缺陷，尤其是社交识别记忆（social recognition memory，SRM）受损。海马背侧CA₂区（dCA₂）通过靶向损伤、化学遗传学和光遗传学研究被证明是SRM的核心脑区。催产素（oxytocin，OT）作为一种亲社会神经肽，可调节dCA₂功能：OT受体（oxytocin receptor，OTR）激活可增强CA₂锥体神经元（pyramidal neurons，PNs）的兴奋性和爆发放电，并在CA3-CA₂及内嗅皮层-CA₂突触诱导长时程增强。肥胖与OT信号紊乱相关，且HFD会改变海马内源性大麻素（endocannabinoid，eCB）信号。在CA₂区，eCB介导的抑制性长时程抑制（inhibitory long-term depression，iLTD）对SRM是必需的。因此，HFD可能通过干扰OT和eCB两种信号通路损害CA₂功能。为阐明HFD导致SRM缺陷的机制，研究人员开展了本研究。

研究人员将断奶后21天的小鼠随机分为对照组（control diet，CD）和HFD组（含40%饱和脂肪和17%糖），喂养12周至成年期。随后结合行为学测试、离体脑片电生理记录、化学遗传学（DREADD）操控、药理学干预、形态学重建及基因表达分析，系统研究了CA₂区突触传递、OT信号和eCB可塑性的变化。该研究揭示了OT对CA₂区eCB介导可塑性的许可作用，并证明CA₂过度兴奋是HFD诱导SRM缺陷的关键，为肥胖相关认知障碍提供了潜在治疗靶点。

主要关键技术方法包括：使用瑞士（Swiss）小鼠、瑞士Cacng5-Cre转基因小鼠和C57BL/6J小鼠（来自Janvier Labs和Charles River）作为实验模型；采用社交辨别范式评估SRM，并设置15分钟和3小时延迟；通过离体海马脑片场电位和全细胞记录检测CA₂区突触传递与PN兴奋性；利用腺相关病毒（AAV）在CA₂区表达hM4D(Gi) DREADD实现化学遗传学抑制；使用药理学工具（如OT、AM251、NBQX等）干预信号通路；通过生物胞素填充和Neurolucida软件重建PN树突形态；运用qPCR检测OTR基因表达；采用脑内插管注射OT进行行为学验证。

研究结果如下：

**HFD暴露诱导SRM损伤**：行为学测试显示，CD和HFD小鼠在15分钟延迟后均能区分熟悉与新颖同伴，但3小时延迟后，CD小鼠仍保持辨别能力，而HFD小鼠无法区分，表明HFD特异性地损害SRM，而非社交能力。

**HFD后dCA₂兴奋性增强**：场电位记录显示，HFD小鼠CA₂区在Schaffer侧支（SC）刺激下的突触后场电位和群体峰电位幅度显著增大；全细胞记录证实CA3-CA₂及内嗅皮层-CA₂输入增强，配对脉冲比降低，提示突触前谷氨酸释放概率增加，而抑制性传递基本不变。10天或5周的短期HFD无此效应，提示需要长期饮食应激。

**HFD不改变CA₂ PN内在特性**：HFD不影响静息膜电位、膜电阻、电容、sag、基强度和动作电位阈值，但缩短了动作电位半宽和衰减时间常数。

**dCA₂ PNs中hM4D(Gi) DREADD激活可恢复HFD喂养小鼠的社交辨别缺陷**：在Cacng5-Cre小鼠CA₂区表达抑制性DREADD后，HFD雄性小鼠恢复了对新颖同伴的偏好，而HFD雌性小鼠则表现出对熟悉同伴的偏好，表明化学遗传学抑制CA₂可恢复社交辨别，但具有性别差异。

**HFD导致CA₂区OT受体信号改变**：qPCR显示社交互动后CD小鼠CA₂区OTR基因表达升高，而HFD小鼠无此变化；HFD还减少了CA₂ PN基底树突的分支数和阶数，但对顶端树突无影响。离体脑片中，OT诱导的CA₂ PN去极化幅度在HFD小鼠中增强。

**HFD损害CA3-CA₂突触的OT介导长时程增强**：1 μM OT在CD小鼠中诱导CA3-CA₂突触传递的持续增强，但在HFD小鼠中该增强显著减弱；OT对抑制性传递的抑制作用在两组间无差异。

**1 μM OT在CD但非HFD小鼠中许可eCB介导的可塑性**：在CD小鼠中，先给予1 μM OT再进行阈下强直刺激（2×25脉冲@10 Hz）可诱导由CB1受体（CB1R）介导的场电位增强，且被CB1R反向激动剂AM251阻断；HFD小鼠中该效应缺失。

**dCA₂中hM4D(Gi) DREADD激活恢复HFD小鼠中OT许可的eCB介导iLTD**：化学遗传学抑制CA₂ PN后，HFD小鼠中1 μM OT重新许可eCB介导的可塑性，且该效应依赖CB1R；而在CD小鼠中，抑制CA₂ PN则阻止了OT许可的eCB可塑性。

**10 μM OT可恢复HFD中的eCB介导可塑性**：在HFD小鼠中，10 μM OT无论是否联合阈下强直刺激，均能诱导与CD小鼠相当的、可被AM251阻断的场电位增强，说明高浓度OT可绕过受损的信号通路。

**dCA₂注射高而非低浓度OT可恢复HFD小鼠SRM缺陷**：在HFD小鼠中，向dCA₂双侧注射50 μM OT可恢复3小时延迟后的社交新颖性辨别，而5 μM OT无效；相反，在CD小鼠中，注射5 μM或50 μM OT均损害SRM，提示外源OT在正常动物中可能超出最佳信号区间。

讨论部分指出，该研究首次在CA₂区建立了OT、eCB可塑性与SRM之间的因果联系：OT在社交过程中释放，通过许可eCB介导的抑制性突触去抑制，实现社交信息编码。HFD诱导的CA₂过度兴奋可能产生过高的背景“噪声”，使内源性低浓度OT信号无法有效驱动eCB可塑性，而化学遗传抑制或高浓度OT补充则可恢复这一过程。在CD小鼠中，外源OT可能超过最佳水平，反而损伤SRM。HFD还可能通过减少OT释放或下游信号转导导致可塑性缺陷，而CA₂过度兴奋可能是对OT信号长期减弱的代偿性但适应不良的改变。青春期开始的长程HFD暴露可能干扰CA₂局部环路发育。该研究的局限包括对Gi-DREADD恢复效应的精确细胞机制尚不完全清楚，以及离体脑片实验排除了SuM等上游核团的贡献。

**研究结论**：本研究揭示了神经调节与内源性大麻素介导的可塑性在社交记忆过程中的机制联系，并揭示了致胖饮食对这一过程的有害后果。