Neuron | 华中科技大学鲁友明/朱铃强合作揭示调节焦虑和记忆的胆碱能神经元的作用机制

胆碱能系统强有力地调节健康和疾病的生理和行为，它是改善阿尔茨海默病进展最广泛使用的药理学靶点。中隔 (medial septum, MS) 中的胆碱能神经元构成前脑胆碱能输入的主要来源，并调节多种功能，包括感觉处理、记忆和注意力。迄今为止，大多数研究都将胆碱能神经元视为一个群体。因此，支持其职能多样性的组织原则仍然未知。

2022年9月20日，华中科技大学鲁友明和朱铃强共同通讯在Neuron 杂志在线发表题为“Molecularly defined and functionally distinct cholinergic subnetworks”的研究论文，该研究在小鼠的中隔中发现了两个分子定义和功能不同的 D28K+ 和 D28K- 神经元，它们表达互斥的标记基因，表现出不同的形态和生理特性，并形成两个不同的子网络，在焦虑样行为和空间记忆的调节中发挥不同的作用。这些结果为胆碱能神经元如何促进其不同的行为功能提供了基于分子和电路的理论。

胆碱能纤维主要起源于基底前脑，包括内侧隔 (MS)，其含有 10% 的产生乙酰胆碱 (acetylcholine, Ach) 的神经元，是海马形成中胆碱能神经支配的主要来源。尽管进行了大量研究，但仍缺乏对胆碱能神经元主要功能的共识。

胆碱能神经元的损伤和光遗传学操作报告了不同的结果，包括学习和记忆、奖励、可塑性、注意力、睡眠-觉醒周期，甚至唤醒。尽管不同的行为分析和损伤方法可能有助于结果的这种多样性，但它们也可能源于将大脑中的胆碱能神经元视为同质群体。最近通过使用电生理学和突触追踪方法的研究表明，基底前脑中胆碱能神经元的异质性，类似于大脑中的多巴胺能和去甲肾上腺素能系统。然而，胆碱能异质性的性质及其在塑造个体胆碱能神经元和/或神经元类型的行为中的潜在作用仍然未知。

胆碱乙酰转移酶 (Choline acetyltransferase, ChAT) 是一种合成 Ach 神经递质的酶，被广泛用作胆碱能神经元的细胞标志物。在人类组织的基底前脑中，胆碱能神经元还表达许多其他蛋白质，包括低亲和力神经生长因子受体 p75 和钙结合蛋白-D28K (D28K)。D28K 在哺乳动物细胞中充当 Ca2+ 缓冲液和传感器。然而，表达 D28K (D28K+) 与缺乏 D28K (D28K-) 的胆碱能神经元的分子、生理和功能特征仍有待研究，主要是由于技术限制和方法学的基本困难。

该研究开发了多路复用技术来解决这些实验难题。研究人员首先在小鼠中鉴定了两个分子定义的胆碱能神经元亚群——D28K+ 与 D28K- 神经元。随后分析了D28K+ 与 D28K- 神经元的解剖结构、生理特性和行为。为了在体内选择性地可视化和操纵这些神经元亚型，研究人员生成了 TERM 小鼠的突变株或小鼠的三重酶重组突变株。

进一步通过神经元类型特异性 RNA 测序 (RNA-seq) 显示，两个胆碱能亚群表达相互排斥的标记基因，包括 D28K+ 神经元中的 kcnh1 和 31 个其他基因与 D28K- 神经元中的 cacna1h 和 22 个其他基因。这些基因的 CRISPR-Cas9 功能筛选表明 kcnh1 和 cacna1h 分别介导 D28K+ 和 D28K- 神经元的电生理特性和行为。值得注意的是，这两个胆碱能亚群与腹侧和背侧海马中的两个生理学定义的神经元类突触，形成两个结构定义和功能不同的子网络。

总的来说，确定了在小鼠、食蟹猴和人类中拓扑分离的胆碱能神经元的两个子集（D28K+ 与 D28K-）。这些胆碱能亚群具有独特的电生理特征，表达相互排斥的标记基因（kcnh1 和 aifm3 与 cacna1h 和 gga3），并与海马中生理上不同的神经元类别建立不同的连接，形成两个结构上定义和功能上不同的回路。通过研究这些电路的功能增益和功能丧失，揭示了它们在调节焦虑样行为和空间记忆中的不同作用，这为后续研究胆碱能神经元如何促进其不同的行为功能提供理论基础。

原文链接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(22)00796-6

转自：“iNature微信公众号

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