光遗传学突破：激活中缝背侧血清素神经元引发全脑效应
血清素是一种神经调节剂，可影响多种行为和认知功能。尽管如此，血清素是如何通过全脑投射和各种受体引起这些影响的尚不清楚。
基于此，2024年5月16日日本冲绳科学技术大学院大学Kenji Doya研究团队在Nature communications杂志发表了“Optogenetic activation of dorsal raphe serotonin neurons induces brain-wide activation”揭示了光遗传激活中缝背侧血清素能神经元诱导全脑激活。
在这里，作者使用功能磁共振成像检测了雄性小鼠大脑中缝背核（DRN）中血清素能神经元对光遗传刺激的全脑反应。DRN血清素神经元的短暂激活引起了全脑范围的激活，包括内侧前额叶皮层、纹状体和腹侧被盖区。异氟醚麻醉下的刺激降低了包括海马复合体在内的全脑激活。其中5-HT1受体的重量增强。总之，这些结果提供了对DR 5-羟色胺能系统的见解。
图一 光功能磁共振成像实验装置
作者首先采用光遗传功能磁共振成像阐明全脑5-羟色胺能投射的影响，结合光遗传刺激中缝背核（DRN）5-羟色胺能神经元的方法和使用功能MRI测量全脑活动。作者们使用Tph2-ChR2（C128S）转基因小鼠，该小鼠选择性地在5-羟色胺神经元中表达ChR2。使用11.7 T MRI记录除嗅球和后小脑外的全脑BOLD信号进行高信噪比记录。在功能磁共振成像实验后，动物在奖励等待任务中进行测试，以表明光遗传刺激的有效性。在ON/OFF块设计方案中测量了DRN血清素神经元在光遗传刺激下的BOLD反应。光刺激增加了DRN中的BOLD信号，重复刺激后有反应减少的趋势。目前的研究使用的Tph2-ChR2（C128S）转基因小鼠，开始时用蓝光脉冲，结束时用黄色光连续激活，该实验没有使用麻醉剂。
图二 BOLD对DRN中血清素神经元的光遗传刺激的反应
对转基因组动物的蓝色和黄色刺激光激活的BOLD反应进行的一般线性模型(GLM)组分析显示，BOLD反应在全脑范围内增加。根据Allen小鼠大脑图谱，作者选择了基底神经节的组成部分，如尾状壳核（CPu）、伏隔核（NAc）和苍白球（GP）。此外，还选择了其他皮层下区域，包括终纹床核（BST）、海马和外侧缰核（LHb）。vRSC、V1、DG和CA1的BOLD反应没有显著升高。在第1阶段后的一周，在与第1阶段相同的刺激参数下进行了另一个阶段。BOLD的反应模式与第1阶段相似。通过提取区域BOLD信号，作者进一步检测了峰值振幅和峰值时间响应的区域差异，其中VTA、SNr和FP的响应最大。在蓝光刺激下，第1和第2阶段BOLD反应的振幅和时间显著相关。这些结果表明，作者对DRN的光刺激诱导了DRN 5-羟色胺能神经元的一致激活，从而在多个皮层和皮层下区域引起了不同的时空反应。
图三 麻醉状态和清醒状态下BOLD反应的比较
为了测试这种差异是由于麻醉引起的可能性，作者比较了同一动物在麻醉和清醒状态下BOLD对DRN血清素刺激的反应。在1%异氟醚麻醉下采用相同的ON/OFF刺激方案，还在第二天的清醒状态下进行了另一次ON/OFF刺激阶段。在麻醉下，观察到整个皮质区域的BOLD反应大多为阴性，而DRN中的BOLD信号仍为阳性。然后，作者对比了麻醉状态和清醒状态下的区域beta值。在麻醉状态下，多个区域，如ACC、dRSC、vRSC、DG和CA1显示负的beta值，与清醒状态下明显不同。进一步发现，在麻醉状态和清醒状态之间，这些区域的BOLD峰值有明显差异。作者的研究结果表明全身麻醉通过DR血清素光激活诱导BOLD阴性反应。
总结：
研究者首次在清醒动物中通过Opto-fMRI报道了DRN血清素激活的全脑反应，还显示了血清素系统在清醒和麻醉状态下的不同调节。首先，DRN 5-羟色胺能激活可在清醒状态下引起全脑范围内的BOLD阳性反应。第二，全身麻醉下DRN 5-羟色胺能激活导致全脑BOLD阴性反应。进一步表明，DRN 5-羟色胺激活的BOLD信号的全脑谱与DRN 5-羟色胺能投射的密度和5-HT受体的表达谱相关。还需要进一步的研究来了解其对全脑动态的复杂调节。总之，研究者的发现揭示了理解血清素能控制全脑动态和功能的理论基础。