论文上线截图
运动协调和情绪控制是中枢神经系统(CNS)的两个既相互独立又相互关联的功能。运动行为不仅是情绪表达的重要组成部分和生理基础,而且还能通过减少负面情绪和促进认知功能来改善心理健康。然而,关于运动控制和情绪处理相互作用的神经基础知之甚少。
对于小脑在高级功能方面,除了感觉运动协调之外,其潜在作用的关注度一直在增加。鉴于边缘系统是情绪调节的中枢枢纽,杏仁核在焦虑的双向控制中起着关键作用,作者研究了小脑是否以及如何与边缘情绪系统相连。在此,作者探索了一条下丘脑-小脑-杏仁核环路,该环路可能介导运动依赖的焦虑缓解。这个由三个神经元构成的环路中,小脑齿状核处于核心地位,它将运动系统与情绪系统相连接。让动物持续在旋转杆上运动,会激活谷氨酸能的小脑齿状核神经元,这些神经元驱动PKCd+杏仁核神经元发挥抗焦虑效应。此外,让动物在加速旋转杆而非持续旋转杆上运动,则会激活下丘脑神经元,这些神经元通过食欲素能投射至齿状核神经元,进而激活杏仁核,产生叠加的抗焦虑效应。作者的研究发现了一条小脑-边缘系统环路,该环路介导了运动对焦虑情绪的改善作用。
1.小脑-杏仁核的直接投射及其对焦虑症状的功能影响
由于焦虑障碍常常与其他精神疾病同时出现,作者收集了患有双相情感障碍(BD)患者的静息态功能磁共振成像(fMRI)数据,在双相情感障碍患者中,焦虑是最常见的共病诊断。与健康对照(HC)受试者相比,BD患者小脑核与杏仁核之间的功能连接较低(图1A)。Pearson相关性分析显示,汉密尔顿焦虑量表(HAMA)得分(图1B)显示出与BD患者小脑-杏仁核功能连接呈负相关的趋势,趋势表明这两个脑区之间可能存在联系。
为了探究小脑是否在细胞和环路水平上直接投射到杏仁核,作者将顺行病毒示踪剂注射到大鼠小脑核(图1E)。结果发现,mCherry阳性传入纤维主要分布在中央外侧杏仁核(CeL)(图1F)。从CeL进行逆行示踪(图1G)发现,投射到杏仁核的小脑核神经元主要集中在齿状核(DN),这是从进化角度来讲最年轻的小脑核,并且其在情绪控制中的作用越来越受到关注。
图1. 小脑-杏仁核直接环路与焦虑呈负相关
2. 运动活动改善焦虑并激活小脑-杏仁核输出
接下来,作者让大鼠连续4天在恒定速度的旋转杆上跑步后进行焦虑测试,以验证运动锻炼对焦虑样行为的影响。这些大鼠显示出对高架十字迷宫开放臂和明暗箱光明隔间的偏好增加,而总行进距离不受影响(图2A-2B)。这些数据表明,运动锻炼导致焦虑水平降低。
为了证实运动过程中相对稀疏的小脑-杏仁核连接是具有功能性的,作者使用微型荧光显微镜在体记录了CeL神经元的Ca²⁺活动,同时让大鼠在以恒定速度旋转的旋转杆上跑步(图2C)。作者发现,73.3%的记录的CeL神经元在旋转杆跑步过程中被激活,这与光遗传刺激DN激活的CeL神经元百分比相似(图2D – 2G)。作者通过光遗传沉默DN – CeL投射对CeL神经元,发现旋转杆跑步过程中CeL神经元的激活是由小脑传入输入触发的。这些数据表明,DN-CeL投射带有运动相关的信息。
图2. 旋转棒跑步激活接收小脑DN直接输入的细胞神经元
3. 运动诱导谷氨酸能DN到CeL输入的长期可塑性并改善焦虑
为了研究改善焦虑的旋转杆跑步范式是否会在小脑-杏仁核环路中诱导神经可塑性变化,作者首先进一步探索了在大鼠中获得的静息态fMRI数据。数据显示,旋转杆跑步4天后,小脑核与杏仁核之间的功能连接增加(图3A-3C),表明运动诱导了小脑-杏仁核环路的可塑性。
接下来,作者在细胞生理学水平上表征小脑输入到杏仁核的突触输出及其潜在可塑性。光刺激表达ChR2的DN传入纤维在CeL神经元中诱发了快速的兴奋性突触后电流(EPSCs)(图3F)。光遗传学实验突出了DN纤维到CeL神经元的谷氨酸能输入的单突触特性。来自DN的传入输入的活动在CeL神经元中诱导了长期突触可塑性(图3H-I),光诱导EPSCs和LTP的胞内标记CeL神经元均为PKCd阳性(图3J),并在Cre依赖的顺行跨单突触示踪实验中得到了进一步证实。这些数据表明小脑DN传入纤维可能通过调节PKCd+ CeL神经元发挥抗焦虑效应。
为了确定谷氨酸能DN-CeL输入是否会影响焦虑样行为,作者研究了光遗传激活CeL内DN谷氨酸能末端的影响(图3K)。这种刺激显著改善了高架十字迷宫中的焦虑样行为(图3L)。化学遗传抑制谷氨酸能DN-CeL环路,发现旋转杆跑步的抗焦虑效应确实被消除(图3M-N),表明运动缓解焦虑可以被投射到CeL中PKCd+神经元的谷氨酸能DN神经元以双向方式来控制。
图3. 从DN谷氨酸能神经元到CeL PKCd+神经元的单突触投射具有长期可塑性,并通过运动改善焦虑
4. 食欲素能下丘脑-小脑投射在具有挑战性的运动中被激活
由于不同的运动范式可能对情绪产生不同的影响,作者接下来比较了恒定速度和加速旋转杆跑步对大鼠慢性不可预测温和应激(CUMS)诱导的焦虑的影响。结果发现与采用恒定旋转杆模式的结果相比,以加速度在旋转杆上跑步显著增强了这些结果指标(图4A-4C)。由于神经肽食欲素既能促进运动挑战,也能增强应激韧性,作者通过DN到下丘脑的逆行示踪结合食欲素和c-Fos免疫染色实验,发现下丘脑周腹侧区(PFA)的食欲素能DN投射神经元确实被具有挑战性的而非恒定的旋转杆任务显著激活,加速而非恒定的旋转杆跑步诱导了DN中食欲素水平的显著升高(图4D-4E)。
接下来,作者生成了一个新的转基因大鼠品系,可以通过细胞类型特异的光遗传学和化学遗传学操纵下丘脑-小脑食欲素能投射(图5A-5B)。光遗传激活小脑DN内的食欲素能PFA末端显著改善了CUMS诱导的焦虑(图5D)。选择性化学遗传抑制DN中的PFA食欲素能传入显著抑制了具有挑战性的旋转杆运动诱导的CUMS食欲素-Cre大鼠焦虑样行为的缓解(图5F)。这些结果表明,食欲素能下丘脑-小脑通路可能在具有挑战性的运动对CUMS诱导的焦虑的改善中发挥关键作用。
图5. 具有挑战性的运动通过激活PFA-DN食欲素能投射来改善应激性焦虑
5. 参与焦虑缓解的下丘脑-小脑-杏仁核环路是一个兴奋性信号的级联
为了测试食欲素能下丘脑纤维对DN神经元的突触性质,作者在小脑切片中进行了全细胞膜片钳记录。将食欲素- A(食欲素的一种剪接变体)加入浴液中,兴奋了DN中的谷氨酸能投射神经元(图6A-6B)。
当动物面临严重的运动挑战时,PFA-DN食欲素能神经元被显著激活(图4D),作者检测了操纵DN-CeL神经元的食欲素能传入,对其在跑步过程中的放电活动的影响。光遗传激活PFA-DN食欲素能传入末端,DN-CeL神经元放电活动增加。反之,抑制了DN-CeL神经元的放电率。值得注意的是,这些效应在加速而非恒定的旋转杆跑步过程中尤为突出(图6D-6F)。
化学遗传抑制DN-CeL投射几乎完全阻断了具有挑战性的运动的抗焦虑效应(图S7F-S7H),特异性化学遗传抑制可以有效阻断了PFA-DN食欲素能传入末端在CUMS食欲素-Cre大鼠中诱导的焦虑改善(图6G-6H)。这些结果共同表明,具有挑战性的运动可以通过激活食欲素驱动的下丘脑-小脑-杏仁核(PFA-DN-CeL)环路有效缓解应激诱导的焦虑。

图6. 食欲素介导的DN-CeL环路的叠加激活有助于挑战性运动更好的抗焦虑效果
6. 增加运动挑战优化对焦虑的改善影响
上述数据提出了一个问题,即运动挑战的程度可以在多大程度上被优化,以最大程度地缓解焦虑。作者探索了在不同挑战水平下运动对CUMS大鼠的抗焦虑效应。以0.12、0.2和0.4转/秒的加速度进行旋转杆跑步显示出对焦虑相关行为越来越强的改善效应(图7A-7B),表明挑战水平可能是应用运动疗法治疗焦虑的一个重要参数。鉴于增加运动挑战以线性方式改善焦虑,作者接下来研究小脑核是否可能形成一个有效的中枢靶点,用于应用脑刺激来改善焦虑(图7C)。作者发现,以60赫兹的频率对DN-CeL神经元进行光刺激,模拟了动物在加速(0.2转/秒)旋转杆上跑步时DN神经元的放电率,比以30赫兹的频率进行光刺激更有效地缓解了CUMS大鼠的焦虑(图7E-7F)。综合这些结果表明,具有挑战性的运动和操纵小脑可能是一种有效的焦虑干预策略。
图7. 挑战性运动和小脑光刺激可以改善应激性焦虑
结论
运动改善情绪的大脑机制尚不清楚。作者剖析了一条连接皮质下运动系统和边缘系统的下丘脑-小脑-杏仁核环路,通过该环路,运动活动能迅速在两个强度层面上调节焦虑,并为开发具有挑战性的运动策略和针对小脑的焦虑干预措施提供了启示。
SA102 转棒疲劳仪
转棒式疲劳仪主要用于运动协调性、平衡感测试,抗疲劳药物筛选和鉴定检测。将动物放置在滚筒中央的转棒上,为了避免滑落,动物需要调整平衡,随转棒转动而跑动。动物坚持的时间作为实验指标,如果动物掉落,仪器会自动记录这只动物的坚持时间以及滑落瞬间的速度。
SA211高架十字迷宫是利用动物对新异环境的探究特性和对高悬敞开臂的恐惧形成矛盾冲突行为来考察动物的焦虑状态,目前被广泛应用于新药开发、药理学、毒理学、预防医学、神经生物学、动物心理学等多个学科的科学-研究和计算机辅助教学等领域。
SA207 明暗箱/黑白箱
黑白箱利用小鼠或大鼠具有趋暗避明的习性设计的装置,一半是暗室,一半是明室,中间有一小洞相连。暗室底部铺有通电的铜栅。动物进入暗室即受到电击。本实验简单易行,反应箱越多,同时训练的动物越多。以潜伏期为指标,动物的差异性比较小。对记忆过程特别是记忆再现有较高的敏感度。