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大麻可能的新用途:治療抑鬱症?!

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北京時間 1 月 15 日淩晨,李曉明教授團隊在 Nature Medicine 雜誌上發表了題為 Cannabinoid CB1 receptors in the amygdalar cholecystokinin glutamatergic afferents to nucleus accumbens modulate depressive-like behavior 的研究論文,發現了一條參與抑鬱症發病的新神經迴路並揭示了大麻治療抑鬱症的新機制,為認識抑鬱症的神經迴路提供了嶄新的認識,並發現了潛在的治療靶點。

圖片由李曉明教授團隊提供

抑鬱症是一種最常見的精神疾病,嚴重困擾患者的生活和工作,給家庭和社會帶來沉重的負擔(12月1日,傑出的華人物理學家張首晟教授是因抑鬱症意外去世,引發了社會對抑鬱症的廣泛的關注與討論),目前我們對抑鬱症的病理機制仍然知之甚少。

臨床上對於抑鬱症的診斷主要通過患者自述,而針對抑鬱症的治療藥物主要是通過提高腦內化學遞質的水準來達到抗抑鬱的效果,起效很慢,而且只在20~30%左右的病人中有效。

因此,研究抑鬱症的發病機制對於其診斷和治療具有重要意義。

抑鬱症相關的神經元與大麻素受體有關?

關於李曉明教授團隊最新的這項研究,首先,他們發現了參與抑鬱症發病的一條新的神經迴路-杏仁核的膽囊收縮素陽性神經元投射到伏隔核的抑制性神經元,進一步發現在社會壓力應激導致的抑鬱動物模型中,該迴路的突觸活動顯著增強,利用光遺傳技術抑制這條神經迴路的活動可以有效克服抑鬱症狀。

其次,他們發現大麻素受體在這條迴路特異性表達,並且在抑鬱動物模型中該回路上的大麻素受體表達顯著降低。敲降該迴路上的大麻素受體也可以導致迴路突觸活動增強和小鼠易感抑鬱的表型。更重要的是,他們發現外源性地給予人工合成的大麻可以逆轉社會壓力導致的抑鬱樣行為。

這些發現不僅揭示了大麻抗抑鬱的分子和迴路機制,推進了人們關於抑鬱症發病機理的認識,並為抑鬱症的臨床診斷和治療提供了新的分子靶點。

李曉明團隊成員從左到右為:鄭迪,李春悅,李曉明教授,沈晨傑,付佳毓,餘小丹

主掌恐懼記憶的大腦「杏仁核」

據瞭解,在長達五年的研究中, 浙江大學李曉明教授團隊主要關注一個叫做杏仁核的腦區。杏仁核位於掌管情緒的邊緣系統中,在大腦深處,因形狀酷似杏仁而得名。杏仁核在在下至爬行動物,上至人類的大腦都存在,傳統研究表明,杏仁核主要掌管我們的恐懼記憶。

但是近些年來研究認為,杏仁核可能參與情緒的編碼。

他們首先利用原位雜交等技術分析了杏仁核的基因圖譜,意外地發現一種名為膽囊收縮素的肽類在杏仁核高表達。為了研究這類膽囊收縮素陽性神經元在情緒編碼中的作用,他們採用一種名為「即時位置條件偏好」的行為範式,他們將小鼠放入一個可以自由穿梭的兩箱內,然後在一側箱子給予光遺傳刺激(即用光控制神經元活動)啟動小鼠腦內杏仁核的膽囊收縮素肽類神經元。

研究人員在觀察小鼠行為的時候,有趣的事情發生了。他們發現,小鼠一旦進入光刺激區域時,幾秒後,它就會快速逃回另一側。久而久之,小鼠就不願到光刺激區域探索。這就說明,光啟動杏仁核的膽囊收縮素神經元帶給了小鼠「厭惡」的情緒體驗。

相反,研究人員也發現,如果利用光遺傳同樣地啟動杏仁核不表達膽囊收縮素的神經元,小鼠會表現出對光照區域的「喜愛」,這就說明這些杏仁核膽囊收縮素陽性和陰性神經元編碼了「厭惡」和「愉悅」兩種截然相反的情緒體驗。

進一步研究發現,這兩群杏仁核神經元除了基因表達的差異,它們在神經迴路投射上也存在很大的區別。雖然這兩群杏仁核神經元都投射到一個叫做伏隔核的下游核團,但是膽囊收縮素陽性神經元主要和伏隔核表達多巴胺受體 2 型的抑制性神經元形成突觸聯繫,相反,膽囊收縮素陰性神經元主要和伏隔核表達多巴胺受體 1 型的抑制性神經元形成突觸聯繫。 「這是首次同時從基因和迴路的水準鑒定了杏仁核表達愉悅和厭惡的候選基因及其相關的神經迴路。」,李曉明教授解釋道。

杏仁核「厭惡」神經迴路活動異常可能導致抑鬱?

臨床抑鬱症患者屍體解剖和影像學等證據都表明「杏仁核」的體積在抑鬱症患者中增大,並且當抑鬱症患者面對負性情緒刺激時,他們的杏仁核也被顯著被啟動,這提示杏仁核可能在抑鬱症的發病過程中扮演著非常重要的作用。

為了證實杏仁核這兩條編碼「愉悅」和「厭惡」神經迴路在抑鬱症中的作用,他們用了一種名為「社會應激挫敗」的抑鬱模型。他們將實驗小鼠放入攻擊性強的CD1品系小鼠的籠子裡,一旦實驗小鼠進入,CD1小鼠會立即追打和攻擊實驗小鼠,這個攻擊過程持續10分鐘,連續10天。在第11天,這些實驗小鼠被放入一個社會交互的曠場中,將CD1小鼠放在曠場中央,一部分小鼠表現出社會逃避,不願意和CD1小鼠進行社會交流,他們稱這些小鼠是悲觀型小鼠。

研究人員進一步利用「懸尾實驗」和「糖水偏好實驗」發現,這些悲觀小鼠表現出「行為絕望」和「快感缺失」,即當被倒立懸掛時,悲觀小鼠更早地表現出放棄掙扎的狀態,並且它們對平時喜歡的糖水獎勵也無動於衷。相反,另外一群小鼠在經歷10天社會應激後,在第11天仍然願意與CD1小鼠進行交流,這些小鼠被稱為樂觀型小鼠。

生活中,即使面對同樣的壓力時,有部分人更容易消沉,甚至進入長期的抑鬱狀態,這與他們大腦有關。」,該論文的第一作者沈晨傑博士解釋道。

接著,他們利用離體腦片電生理記錄等技術發現,杏仁核相關「厭惡」神經迴路的活動在悲觀型小鼠中異常活躍,如果人為地光遺傳學抑制杏仁核「厭惡」迴路的神經元活動,可以逆轉悲觀型小鼠的抑鬱樣症狀,表現為悲觀型小鼠主動接近CD1小鼠與它交流,並且掉入水中的求生欲和對糖水的喜好都大大增強。相反,如果在正常小鼠中持續啟動腦內杏仁核的「厭惡」迴路,這些正常小鼠慢慢地表現出行為絕望和快感缺失的抑鬱樣表型。

「這就說明腦內杏仁核膽囊收縮素相關的厭惡迴路可以雙向調節抑鬱行為,這為以後治療抑鬱症提供了一個新的治療策略。」,該論文的第二作者鄭迪博士說。

「厭惡」神經迴路刹車:大麻素受體

為了進一步研究悲觀小鼠杏仁核相關「厭惡」迴路活動增強的具體分子機制,他們利用原位雜交技術發現,大麻素受體大量表達在杏仁核膽囊收縮素肽類神經元陽性的「厭惡」神經迴路中。

什麼是大麻素受體?大麻素受體是人的中樞神經系統中表達量最高的 G 蛋白偶聯受體之一。大麻素受體主要位於突觸前膜,腦內的大麻素受體不僅可以被令人上癮的大麻主要成分植物性大麻素 THC 所啟動,也可以被存在於神經系統突觸後膜產生的內源性大麻素 N-花生四烯酸氨基乙醇和 2-花生四烯酸甘油所啟動。當神經迴路上的突觸活動過強時,突觸後的神經元會產生內源性大麻素「逆行」到突觸前激動大麻素受體,被啟動的大麻素受體可以抑制突觸前遞質的釋放,從而起到回饋性的調節。

「如果把神經迴路的突觸活動比作為高速行駛的汽車,那腦內的大麻素受體就是這輛汽車的刹車系統。」沈晨傑博士說。

小鼠腦內杏仁核區域膽囊收縮素(Cholecystokinin,CCK)和大麻素受體(Cannabinoid receptors,CB1)共表達情況

這些在杏仁核「厭惡」迴路中高表達的大麻素受體和抑鬱症又有什麼關係呢?他們在悲觀小鼠的腦內發現,其大麻素受體的表達水準較對照組小鼠和樂觀小鼠明顯降低,離體和在體電生理證據表明,悲觀小鼠腦內降低的大麻素受體表達使得杏仁核表達「厭惡」的神經迴路,其面對壓力時的過度突觸活動不能被有效抑制。並且,如果利用病毒敲降正常小鼠「厭惡」迴路中的大麻素受體,這些小鼠會表現出對壓力的易感性,即當它們面對社會應激壓力時,更容易表現出抑鬱樣的行為表型。

我們的結果證明大麻素受體對於杏仁核「厭惡」情緒的表達至關重要,一旦其表達或功能下降,都會導致杏仁核厭惡情緒的過度表達,就好比是行駛在高速公路上無法刹車的汽車,最終釀成

大禍。」沈晨傑博士解釋道。

「並且,值得注意的是,2007年一款一度被推崇的新型減肥藥,也就是大麻素受體的拮抗劑利莫那班在全球市場被緊急撤回,主要是因為它在減肥的同時還會導致抑鬱,我們的研究提供了大麻素受體功能下調導致抑鬱症的神經迴路解釋。」

醫用大麻:抗抑鬱治療的新曙光?

早在千年之前傳統醫學的經典文獻《皇帝內經》中,就記載了古人醫用大麻的案例。大麻是一種非常有效的止痛劑,同時對噁心、嘔吐也有較好的療效。大麻的醫用史可追溯到 5000 年以前,可以用於疼痛、嘔吐、癲癇等。

既然抑鬱小鼠中杏仁核「厭惡」迴路中的大麻素受體表達下降,導致了突觸活動增強和厭惡情緒過度表達。那麼如果人為給予外源性大麻素,能否起到抗抑鬱效果呢?他們利用套管注射等方法,在抑鬱小鼠腦內注射了人工合成的大麻,發現可以有效地逆轉小鼠的抑鬱樣症狀。「醫用大麻用於抑鬱症的治療仍有很長一段路要走」,李曉明教授說,「但是,我們的研究提示大麻素受體可以作為一個抑鬱症診斷的分子標記物,我們目前已經成功設計並合成了針對大麻素受體的臨床用PET示蹤劑,正在開展相關的臨床研究。」

據悉,Nature Medicine 雜誌評審專家對這一研究給了很高的評價,「這項工作非常新穎,具有高度的原創性,實驗設計嚴謹,利用多種技術從分子、細胞、迴路和行為等不同層面,在概念上更新了我們對重度抑鬱症發病機理,應激神經生物學和杏仁核迴路結構和功能的認識,並必將對這些領域產生重要影響。」「實驗設計巧妙,結果不僅有趣,而且非常有實用價值,具有廣泛的意義。」「這項工作提供了讓人信服的資料,證明了杏仁核膽囊收縮素陽性神經元到伏隔核迴路中的大麻素受體在調節抑鬱樣症狀中的重要性。」

本課題主要由博士研究生沈晨傑、鄭迪、李可心等在李曉明教授的指導下完成。2014級博士研究生沈晨傑是論文的第一作者,李曉明教授是論文的通訊作者。該研究得到了浙江大學胡海嵐教授、段樹民院士等的大力幫助。


專家點評

仇子龍(中科院神經科學研究所研究員,國家「傑青」)

李曉明教授上周和這周兩篇力作,分別在成癮和抑鬱症相關的神經迴路方面有重要發現。李曉明教授主要研究大腦抑制性神經迴路在情感和情感障礙中的作用。神經迴路研究是國際神經科學界的熱點領域,神經科學的最新技術,如光遺傳、全腦成像、藥物遺傳學與基因編輯等最新技術的應用日新月異,競爭呈白熱化狀態。在此領域激烈的國際競爭中,我國科學家整體並不占任何優勢。如何在競爭激烈的領域擁有自己的一席之地,李曉明教授的一系列系統性的工作給了我們很好的啟示。

李曉明教授實驗室長期關注大腦中抑制性神經元相關的神經迴路,在2012年以來,他們主要研究PV陽性的GABA能抑制性神經迴路在癲癇、精神分裂症、睡眠障礙和自閉症等疾病中的作用(Li et al. Nature Neuroscience,2012; Yang et al. Journal of Neuroscience,2013; Ni, et al. eLife,2015; Zhang, et al. Cell Research,2016; Geng, et al, Journal of Neuroscience,2017)。近年來他們運用跨突觸病毒標記的方法,系統性地研究了包括PV神經元在內的多種GABA能神經元的全腦投射。

上周他們的Neuron文章(Li, et al, Neuron,2019)發現VTA腦區的GABA能神經元對於調控成癮行為有嶄新的神經迴路機制。這篇Nature Medicine(Shen et al, Nature Medicine, 2019)工作研究了杏仁核中CCK神經元的神奇功能。杏仁核是一個經過多年研究的大腦核團,與恐懼記憶有關,關於杏仁核的發表文章可以說已經汗牛充棟。而曉明教授的團隊另闢蹊徑,發現杏仁核的CCK陽性神經元不僅僅有GABA陽性神經元,還有大量的谷氨酸能長程投射神經元,經過深入研究,他們發現這些CCK谷氨酸能投射神經元通過調控紋狀體的GABA能中棘神經元參與抑鬱症的核心症狀,為認識抑鬱症的神經迴路提供了嶄新的認識,並發現了潛在的治療靶點。

這篇重量級文章與浙大醫學院胡海嵐教授于2018年初發表的兩篇Nature article文章相映成趣(兩篇Nature長文丨胡海嵐團隊抑鬱症研究的重大突破——仇子龍特評),在國際抑鬱症的神經迴路研究領域必將產生重要影響。


通訊作者簡介

李曉明博士

醫學博士、浙江大學「求是特聘」教授、教育部「長江學者」特聘教授、中組部國家「萬人計畫」創新領軍人才、國家傑出青年基金獲得者。李曉明博士分別于 1996 年和 2003 年從原第一軍醫大學獲醫學學士和醫學博士學位。目前任浙江大學醫學院常務副院長、神經生物學系主任。

李曉明教授實驗室長期研究情感和情感障礙的神經迴路機制,在突觸和神經迴路的結構和功能調控領域,尤其在精神分裂症、抑鬱症等神經精神疾病的發病機制方面取得重要研究成果,代表性論文以通訊作者發表在國際著名期刊如Nature Medicine、Nature Neuroscience、Neuron等上,並被國際同行發表專文正面評述。

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