基于光遗传学的抑郁症发病机制研究
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摘 要：困扰现代人的抑郁症，其生物学机制仍然存在争议，光遗传学作为一种新型的神经元光控技术，在神经生物学领域有广泛应用。综述了抑郁症的基本特征和发病机制，设计实验利用光遗传学工具兴奋或抑制抑郁小鼠模型的相关脑区，分析脑区操控前后抑郁小鼠的行为学变化，寻找与抑郁症的发病密切相关的脑区。研究结论为抑郁症发病机制的神经生理基础的研究提供了理论指导，最终帮助研究者理解抑郁症发病机制并寻找高效治疗策略。
关键词：光遗传;抑郁症;抑郁小鼠模型
中图分类号：F24 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.19.041
抑郁症是一种会严重危害人类身心健康的精神疾病，是当今社会中很常见的一种情绪障碍综合征。抑郁症患者会呈现出焦虑，自卑，厌世，心境低落等症状，重者甚至产生自杀倾向。随着社会压力的不断增大和现代生活节奏的加快，抑郁症发病率也呈现快速上升的趋势。据统计，约13%-20%的人曾有过抑郁的体验，人群中的抑郁症终生患病率更高达6.1%-9.5%之多。抑郁症已然成为世界常见的疾病之一，研究降低其发病率的科学方法成为了迫在眉睫的事情。抑郁症的生物学机制以及治疗手段都需要进一步的科学突破，近年来光遗传学的快速发展，为我们提供了研究神经生物学机制的强有力工具。本研究利用光遗传学技术设计实验来研究与抑郁症发病相关的脑区，从而为抑郁症发病机制理解及治疗提供更好的帮助。
1 抑郁症
作为一种严重的精神疾病，科学界提出几种抑郁症的发病机制假说，包括几点：
（1）神经环路假说：该假说认为抑郁症是由多个脑区参与的，综合调控发生的。负责情感，决断，赏罚的脑区对抑郁症的关系尤为密切。
（2）单胺类神经递质功能低下假说：多巴胺，去甲肾上腺素和五羟色胺等单胺类物质参与了精神活动，情绪反应，体温调节等生理反应。该假说认为患者脑内的单胺递质水平，即5-羟色胺，多巴胺和去甲肾上腺素神经递质系统功能的低下导致了抑郁症。
（3）神经营养缺乏假说：在神经发育过程中的生长因子对成年大脑的可塑性起着重要的作用。其中作为中枢神经系统中分布最广泛，含量最多的脑源性神经营养因子对神经元的生长，分化和损伤修复功能起重要作用。
类似于舍曲林，帕罗西汀和氟西汀的药物进行的药物治疗和其他形式的治疗手段是目前常见的抑郁症治疗方法，虽然这些治疗方法的见效较快，但是由于抑郁症具有高复发性和隐匿性，患者服用的不少药物都有不良副作用。
2 光遗传学技术
光遗传学，是将光敏感离子通道蛋白神经元表达，并利用特定波长的光照激发从而实现对目标对象精细调控的学科，即通过操纵神经元来兴奋或抑制靶细胞和靶器官。该技术可以对哺乳动物大脑组织进行无损伤的操控，它具有目的性强、精准度高，细胞特异性强等特点。是由2005年Boyden等人证明光刺激绿藻视蛋白可以使神经元产生应答而发现的技术。近年来，光遗传学在复杂的生物学机制探究，尤其是脑科学等领域的研究中得到了广泛的应用。2011年， Nature Methods将光遗传学技术誉为了21世纪神经生物学中最具影响力的技术。
光敏感蛋白在光遗传研究中发挥着重要的作用，它是光遗传学的主要工具，被发现于单细胞微生物如绿藻、单胞菌的视蛋白中。光敏感蛋白根据不同的效应可以分为兴奋性光敏感蛋白和抑制性光敏感蛋白两种。视紫红质-2（ChR2）是目前最常用的兴奋性光敏感蛋白，它在被蓝光激活后，阳离子内流使细胞去极化，产生动作电位，提高兴奋性。视紫红质（NpHR）是一种常见的抑制性光敏感蛋白，在被黄光激活后会使细胞膜超极化，从而抑制细胞的兴奋。
光遗传学技术自问世来，广泛应用于动物行为研究，比如用光遗传学技术使果蝇体内的多巴胺大量释放，在斑马鱼的躯体感觉神经元的实验过程中，也发现光照可以使其产生逃避的游泳活动等。在神经生物学领域尤其是精神类疾病等研究中的应用也非常广泛，可以用于研究焦虑，药物成瘾，恐惧和抑郁症等领域。利用光遗傳学技术，有研究发现中脑腹侧被盖区（VTA）的神经元可以让小鼠表现出糖水偏好减少和社交逃避等特征;光遗传学刺激内侧前额叶（mPFC）可以让“易感”小鼠产生抗抑郁的作用等结论，大量研究表明光遗传学技术在抑郁症研究中可以发挥重要的作用。
3 光遗传学探究抑郁症发病实验设计
3.1 脑区选择
（1）前额叶皮质：前额叶皮质（PFC）是指覆盖大脑额叶前部表面的皮层结构。在社会认知的领域中，PFC对情绪认知，社会推理，心理和决策推断等问题产生了重要影响。现代研究表明，前额叶皮质功能的异常与抑郁症相关。
（2）中脑腹侧被盖区（VTA）：中脑腹侧被盖区产生的多巴胺可能参与了抑郁症的发生。对多巴胺能神经元进行特异性的激活或者抑制，可以较为明显的影响实验动物的抑郁表现。
（3）伏隔核：伏隔核参与了奖赏环路的组成，伏隔核的损伤与快感缺失行为的发生和发展有着必然关系。科学家们认为慢性应激是会导致抑郁症发病的最主要的因素之一，会最终引起奖赏系统 GABA 能神经元受损。
（4）杏仁核：杏仁核与内分泌调节和自主神经活动的调节有着非常密切的关系，因为杏仁核有可能是机体的情绪整合中枢 ，可以将感觉信息投射到皮层、下丘脑和脑干诸核团，形成意识水平的情绪反应。
3.2 前期准备
选择同批次相同重量的同龄成年小鼠共100只小鼠，其中对照组20只小鼠，实验组80只小鼠。实验组共分为16组，四种脑区，每种脑区又分别注射兴奋性光敏感蛋白ChR2和抑制性光敏感蛋白NpHR，同一脑区注射相同的光敏感蛋白的小鼠又分为两组进行不同方式抑郁症小鼠建模。对照组注射携带GFP的病毒载体。各组小鼠在相应脑区注射相应视蛋白后，按脑区分类将光纤分别埋入DP，MO，VTA，PFC四种脑区注射上方附近，术后对小鼠进行单笼饲养，约3到4周后开始进行行为学试验。 3.3 建立抑郁癥研究的模型
（1）糖水偏好模型。将各组小鼠放在一系列的温和应激之下，使其受到不可预知的刺激。这些刺激包括使小鼠挨饿，不定时泼洒冰水，束缚小鼠等等。在经过三周的温和刺激之后，观察小鼠对糖水的偏好性并同对照组对比，小鼠对于糖水的偏好明显降低，并同时出现攻击力降低，毛色变差等现象。判断为小鼠的快感缺乏，成功建立抑郁症基础模型。
（2）公鼠造模。经过筛选，选择进攻能力较强的大鼠（大白），和进攻能力很弱的小鼠（小黑）进行实验。将小黑作为入侵鼠放在大白的笼子中，并让他们进行身体接触，每天15分钟左右。在每天其余时间内将大白和小黑用带小孔的透明隔板隔开，让小黑可以看到闻到大白，从而对小黑造成心理阴影。十五天后，将大白盒小黑共同放入社会交互实验箱中进行社会交互实验，试验箱中分为了角落区和交互区。分别在交互区有大白和无大白的情况下，观察小黑在角落区和交互区停留的时间多少，成功建立抑郁症基础模型。
3.4 利用光遗传学技术操纵兴奋或抑制小鼠的脑区
分别用公鼠造模和糖水偏好两种基础模型得到的抑郁小鼠进行光遗传学操作实验。已注射光敏感蛋白的实验小鼠，可以在适合光刺激情况下兴奋（ChR2）或抑制（NpHR）该脑区的神经元，从而实现对该4个脑区的调控，探究相应脑区的兴奋或抑制对抑郁症小鼠模型行为的影响。
将不同的抑郁症建模方式得到的小鼠，选择固定频率对相应脑区进行光刺激一段时间，对于“公鼠造模模型实验组”，统计实验小鼠在角落区和交互区停留的时间比例，对于“糖水偏好实验组”，观察统计实验小鼠对糖水的喜好程度，根据光刺激前后小鼠行为变化来推断抑郁症发病相关的脑区。
4 总结与展望
实验设计选择的四个脑区与社会认知，情绪控制，大脑奖赏等有关，这些功能的异常常会导致抑郁症的发生。通过对比相应脑区兴奋或抑制前后的抑郁症小鼠的行为学变化，判断前额叶皮质，中脑腹侧被盖区，伏隔核，杏仁核这四种脑区与抑郁症可能的联系。
本研究希望通过对抑郁症发病相关的脑区的研究，为抑郁症治疗带来新的研究方案。还可以继续探究该脑区中哪种神经元类型发挥了关键作用，进一步深入理解抑郁症发病的生物学机制，最终有效防治抑郁症。
参考文献
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