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【Inscopix应用】Science:从“第一次饮酒”开始,大脑就有了不同的反应

时间:2019-11-22     【原创】   阅读

很多人都很喜欢喝酒,而不是长期依赖喝酒,但也有一部分人喝酒是无法戒掉的酒精依赖症。通过小鼠的饮酒实验,酒精依赖症的小鼠从“第一次喝酒时”开始,大脑的反应就和其他小鼠不同了。

大多数研究酒精依赖症的原因和治疗方法的科学家,都倾向于将基因作为预测酒精依赖症可能性的方法。迄今为止的研究表明,与酒精依赖症相关的基因有数百个之多,但单凭遗传学还不能完全解释“酒精依赖症患者”和“能与酒健康交往”之间的区别。

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Kay M. Tye

索克研究所的神经科学家Kay M. Tye的研究小组,作为预测酒精依赖症的方法,不是着眼于遗传基因,而是着眼于大脑的活动进行了实验。相关工作发表在《Science》上,题为“A cortical-brainstem circuit predicts and governs compulsive alcohol drinking”。在这次的实验中,使用遗传相同的雄性小鼠,一点点地让小鼠饮酒,通过使用美国Inscopix公司的nVista自由活动超微显微成像方法监测了饮酒的小鼠前额叶皮层的神经元活动情况,在同样接触过酒精的小鼠上,个体对于暴饮暴食的差异性,揭示出饮酒和强迫性饮酒的潜在特征。在酗酒之前,大脑皮层神经元投射到脑干的独特的神经活动特征预示着强迫性饮酒行为的最终出现。模仿预测饮酒表型的活动模式足以双向调节饮酒。这项研究结果为强迫性饮酒的个体差异提供了一种机制上的解释。

 

结果1. 跟踪强迫性饮酒个体差异出现的“暴饮暴食诱发强迫任务”(BICT)

为了评估易感性如何与经验相互作用从而产生强迫饮酒,作者开发了一个“暴饮暴食诱发强迫任务”(BICT)。开始,通过听觉条件刺激(CS+)预测酒的释放,直到动物建立了条件反应。在暴饮前(第1天至第3天),CS+预测酒单独释放(15%)。在第4天到第5天,在酒中增加了奎宁(一种用来惩罚的苦味剂)。在暴饮期间(第6天至第19天),动物每天0、2或4小时可以无限制地获得水和酒精,从而产生高水平的“暴饮式”酒精摄入(22)。在暴饮后(第20天至第26天),动物回到暴饮前条件作用的环境中,其中酒精单独出现3天,接下来4天出现酒精+奎宁(图1A)。

BICT允许对与AUDs诊断标准相关的两种行为结果进行纵向评估:饮酒和尽管出现不良结果仍继续饮酒。暴饮后,无论奎宁是否存在,饮酒的个体差异都很大(图1B)。根据暴饮后行为进行了三种表型分类:表现出低酒精摄入量和未受惩罚的小鼠被称为“低饮酒者”;表现出大量饮酒但对惩罚很敏感的老鼠被称为“酗酒者”;持续高水平饮酒的小鼠被称为“强迫者”(图1C)。只含酒精和酒精+奎宁分布的值相加,形成每个动物的“酒精使用指数”(图1D)。

根据每只动物在暴饮后的行为对其进行分类,并对其进行追溯。最终被分成三个亚组的小鼠在酗酒前的纯酒精摄入量没有明显的差异(图1E)。酗酒后,即使没有惩罚,低饮酒者的摄入量也会下降(图1F。在酗酒之前,根据奎宁的浓度来衡量,强迫动物比低饮酒者和高饮酒者表现出更强的惩罚抵抗能力(图1G)。酗酒后,由于强迫动物对惩罚表现出强烈的不敏感性,这种表型被加剧(图1H)。纵向检查显示,当惩罚存在时,各组间存在显著差异:酗酒者在暴饮后对奎宁对酒精摄入的影响表现出更高的敏感性,而强迫性动物则表现出更低的敏感性。

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图1 跟踪强迫性饮酒个体差异出现的Binge-induced task (BICT)。

 

2. 最初饮酒时mPFC-dPAG神经元的活动是未来类似饮酒行为的易损性标记

作者推断,涉及“自上而下”控制回避行为的mPFC环路可能是形成强迫性饮酒行为的易感性的基础。导水管周围灰质(PAG)参与对厌恶事件的反应,以及酒精戒断期的负性情感状态和痛觉过敏。投射到背侧PAG (mPFC- dpag)的mPFC神经元编码厌恶事件。作者假设,mPFC-dPAG神经元的功能缺陷可能会破坏厌恶过程,从而导致强迫性饮酒。

为了清晰了解mPFC-dPAG神经元的活动,作者使用自由活动超微显微成像(30)在BICT期间可视化mPFC-dPAG神经元的活动(图2)。顺行病毒允许cre依赖表达GCaMP6m mPFC和逆行注射的病毒携带cre重组酶注入dPAG(图2)。使用植入透镜和nVista头戴式显微镜对mPFC的神经元进行成像观察。在第一次暴饮前,对352个围绕饮酒开始的神经元的活动进行了分层聚类,发现了8个不同的聚类(图2、D和E)。

尽管在整个暴饮前的“只喝酒精饮料”过程中,各组之间的酒精摄入量没有差异,但在饮酒期间mPFC-dPAG神经元的动态在表型组之间存在差异(图2F)。在最初的饮酒体验(第一天)中,与低饮酒者相比,强迫性动物的mPFC-dPAG神经元表现出更多的抑制反应(图2G)。低饮酒者的mPFC-dPAG神经元在饮酒时表现出更强的兴奋性(图2H)。

虽然在初始酒精暴露期间,各组之间的行为表现没有可检测到的差异(图1B和E),但初始暴饮期间的神经反应预测了强迫饮酒的未来发展(图2F到H)。每个动物的单个mPFC-DPAG神经元的兴奋性和抑制性反应的比例与暴饮前(图2I)或狂饮(图2J)期间的行为不相关,但确实与收集了初始暴露期间的神经记录后>2周的暴饮行为相关(图2K)。支持向量机基于先前试验中饮酒期间mPFC-DPAG神经元的活动解码饮酒(GO)和不饮酒(NO GO)的未来行为选择(图2)。这支持了这样一种观点,即mPFC-DPAG神经环路在触发从适度饮酒到强制饮酒的转变中起着关键作用。

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图2 最初饮酒时mPFC-dPAG神经元的活动是未来类似饮酒行为的易损性标记

 

 3. mPFC-dPAG神经元的抑制会导致强迫性饮酒,但在没有惩罚的情况下不会改变饮酒

为了测试模仿内源性活动是否可以改变行为,作者在mPFC神经元中双向表达卤视紫红质(NpHR),并在DPAG上植入双侧光纤(图3A和图3A)。在实时位置偏好测试中,与表达荧光团[增强型黄色荧光蛋白(EYFP)]的对照小鼠相比,NpHR小鼠显示出对光抑制配对侧腔室的适度偏好(图3B)。光抑制没有产生任何可检测到的运动变化(图3C)或焦虑相关行为。

动物被给予三次同时接触酒精和水的机会,以建立酒精摄入量的基线水平(图3D)。在第4天,奎宁仅被添加到酒中,奎宁浓度在不同时段增加,以评估面对惩罚时的酒精摄入量(图3e)。在奎宁治疗期间,接触水或酒精会触发光抑制,以模拟在舔酒过程中在强迫症动物中观察到的抑制活动(图2H)。伴随着舔酒精+奎宁溶液的光抑制足以诱导奎宁浓度响应曲线的右移,导致奎宁的IC50比EYFP对照增加两倍以上(图3F),而不影响耗水量(图3G)。当接触酒精喷嘴会受到脚底电击惩罚时(图3H),光抑制再次促进强迫饮酒(图3I和图3I)。

为了确定mPFC-DPAG活性的光抑制是否通过增加酒精的强化作用或降低对惩罚的敏感性来驱动强迫饮酒,作者隔离测量了每个成分。在没有惩罚的情况下,光抑制不会改变酒精消费(图3J和K)。为了确定在没有奖励的情况下光抑制是否改变了对有害刺激的反应,作者在动物尾巴浸泡在50°C的水中时对mPFC-DPAG突触进行了光抑制,并发现光抑制延缓了退出的潜伏期。光抑制不支持颅内自我刺激,也不改变操作性酒精自我给药的消退。作者假设光抑制通过干扰惩罚信号从mPFC到DPAG的传输来驱动强迫性饮酒。虽然这个电路编码刺激的厌恶方面,但它似乎并不是疼痛特有的,因为奎宁的作用是一种惩罚,但不是伤害性刺激(图3)。

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图3 mPFC-dPAG神经元的抑制会导致强迫性饮酒,但在没有惩罚的情况下不会改变饮酒


4. mPFC-dPAG神经元的激活模拟了惩罚对饮酒的影响

为了确定在这个mPFC-DPAG环路的兴奋性活动对行为影响,作者在mPFC-DPAG神经元中表达了通道视紫红质-2(ChR2),并在mPFC上植入的光纤(图4A和图4A)。在实时位置厌恶试验(图4B)中避免了光刺激配对侧,而不影响运动活动(图4C)或焦虑相关行为(图4C)。

为了测试mPFC-DPAG激活对饮酒的影响,作者再次使用了水和酒精的选择任务,在该任务中,动物接触水或酒精的瓶嘴触发光刺激(图4D)。酒精和水在整个实验过程中保持不掺杂,提供给驱动光激发的光功率在不同的时段(10至130 mW/mm2)增加,随后是没有光刺激的恢复时段(图4e)。光刺激足以作为一种惩罚,在舔酒精(图4F)而不是水(图4G)时产生光功率依赖性的减少,在恢复期间持续减少酒精消耗(图4,H和I)。舔行为的微观结构分析揭示了光刺激引起的回合结构和时间的变化。光刺激产生了强有力的和持久的前负荷行为的减少(在进入阶段的最初部分喝了不成比例的酒精),这是上瘾样行为的标志性措施。

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图4 mPFC-dPAG神经元的激活模拟了惩罚对饮酒的影响

作者建立了一个行为模型,用于多维分析饮酒行为及其随时间和经验的演变。作者鉴定了一种皮层-脑干神经环路,它既是生物标志物,又是环路特异性细胞底物,会促进强迫性饮酒的发展。

结果发现,激活环路的酒精依赖症小鼠的饮酒倾向有所减少,显示出通过操纵大脑活动可以改善酒精依赖症的可能性。虽然,小鼠和人的大脑是不同的,这次的发现在实际的治疗中被活用可能需要几年的时间,但是研究结果对于酒精依存症的治疗是有希望的。


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