基于光遺傳學的抑郁癥發病機制研究
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摘 要：困擾現代人的抑郁癥，其生物學機制仍然存在爭議，光遺傳學作為一種新型的神經元光控技術，在神經生物學領域有廣泛應用。綜述了抑郁癥的基本特征和發病機制，設計實驗利用光遺傳學工具興奮或抑制抑郁小鼠模型的相關腦區，分析腦區操控前后抑郁小鼠的行為學變化，尋找與抑郁癥的發病密切相關的腦區。研究結論為抑郁癥發病機制的神經生理基礎的研究提供了理論指導，最終幫助研究者理解抑郁癥發病機制并尋找高效治療策略。
關鍵詞：光遺傳;抑郁癥;抑郁小鼠模型
中圖分類號：F24 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.19.041
抑郁癥是一種會嚴重危害人類身心健康的精神疾病，是當今社會中很常見的一種情緒障礙綜合征。抑郁癥患者會呈現出焦慮，自卑，厭世，心境低落等癥狀，重者甚至產生自殺傾向。隨著社會壓力的不斷增大和現代生活節奏的加快，抑郁癥發病率也呈現快速上升的趨勢。據統計，約13%-20%的人曾有過抑郁的體驗，人群中的抑郁癥終生患病率更高達6.1%-9.5%之多。抑郁癥已然成為世界常見的疾病之一，研究降低其發病率的科學方法成為了迫在眉睫的事情。抑郁癥的生物學機制以及治療手段都需要進一步的科學突破，近年來光遺傳學的快速發展，為我們提供了研究神經生物學機制的強有力工具。本研究利用光遺傳學技術設計實驗來研究與抑郁癥發病相關的腦區，從而為抑郁癥發病機制理解及治療提供更好的幫助。
1 抑郁癥
作為一種嚴重的精神疾病，科學界提出幾種抑郁癥的發病機制假說，包括幾點：
?。?）神經環路假說：該假說認為抑郁癥是由多個腦區參與的，綜合調控發生的。負責情感，決斷，賞罰的腦區對抑郁癥的關系尤為密切。
（2）單胺類神經遞質功能低下假說：多巴胺，去甲腎上腺素和五羥色胺等單胺類物質參與了精神活動，情緒反應，體溫調節等生理反應。該假說認為患者腦內的單胺遞質水平，即5-羥色胺，多巴胺和去甲腎上腺素神經遞質系統功能的低下導致了抑郁癥。
（3）神經營養缺乏假說：在神經發育過程中的生長因子對成年大腦的可塑性起著重要的作用。其中作為中樞神經系統中分布最廣泛，含量最多的腦源性神經營養因子對神經元的生長，分化和損傷修復功能起重要作用。
類似于舍曲林，帕羅西汀和氟西汀的藥物進行的藥物治療和其他形式的治療手段是目前常見的抑郁癥治療方法，雖然這些治療方法的見效較快，但是由于抑郁癥具有高復發性和隱匿性，患者服用的不少藥物都有不良副作用。
2 光遺傳學技術
光遺傳學，是將光敏感離子通道蛋白神經元表達，并利用特定波長的光照激發從而實現對目標對象精細調控的學科，即通過操縱神經元來興奮或抑制靶細胞和靶器官。該技術可以對哺乳動物大腦組織進行無損傷的操控，它具有目的性強、精準度高，細胞特異性強等特點。是由2005年Boyden等人證明光刺激綠藻視蛋白可以使神經元產生應答而發現的技術。近年來，光遺傳學在復雜的生物學機制探究，尤其是腦科學等領域的研究中得到了廣泛的應用。2011年， Nature Methods將光遺傳學技術譽為了21世紀神經生物學中最具影響力的技術。
光敏感蛋白在光遺傳研究中發揮著重要的作用，它是光遺傳學的主要工具，被發現于單細胞微生物如綠藻、單胞菌的視蛋白中。光敏感蛋白根據不同的效應可以分為興奮性光敏感蛋白和抑制性光敏感蛋白兩種。視紫紅質-2（ChR2）是目前最常用的興奮性光敏感蛋白，它在被藍光激活后，陽離子內流使細胞去極化，產生動作電位，提高興奮性。視紫紅質（NpHR）是一種常見的抑制性光敏感蛋白，在被黃光激活后會使細胞膜超極化，從而抑制細胞的興奮。
光遺傳學技術自問世來，廣泛應用于動物行為研究，比如用光遺傳學技術使果蠅體內的多巴胺大量釋放，在斑馬魚的軀體感覺神經元的實驗過程中，也發現光照可以使其產生逃避的游泳活動等。在神經生物學領域尤其是精神類疾病等研究中的應用也非常廣泛，可以用于研究焦慮，藥物成癮，恐懼和抑郁癥等領域。利用光遺傳學技術，有研究發現中腦腹側被蓋區（VTA）的神經元可以讓小鼠表現出糖水偏好減少和社交逃避等特征;光遺傳學刺激內側前額葉（mPFC）可以讓“易感”小鼠產生抗抑郁的作用等結論，大量研究表明光遺傳學技術在抑郁癥研究中可以發揮重要的作用。
3 光遺傳學探究抑郁癥發病實驗設計
3.1 腦區選擇
（1）前額葉皮質：前額葉皮質（PFC）是指覆蓋大腦額葉前部表面的皮層結構。在社會認知的領域中，PFC對情緒認知，社會推理，心理和決策推斷等問題產生了重要影響?，F代研究表明，前額葉皮質功能的異常與抑郁癥相關。
（2）中腦腹側被蓋區（VTA）：中腦腹側被蓋區產生的多巴胺可能參與了抑郁癥的發生。對多巴胺能神經元進行特異性的激活或者抑制，可以較為明顯的影響實驗動物的抑郁表現。
?。?）伏隔核：伏隔核參與了獎賞環路的組成，伏隔核的損傷與快感缺失行為的發生和發展有著必然關系?？茖W家們認為慢性應激是會導致抑郁癥發病的最主要的因素之一，會最終引起獎賞系統 GABA 能神經元受損。
?。?）杏仁核：杏仁核與內分泌調節和自主神經活動的調節有著非常密切的關系，因為杏仁核有可能是機體的情緒整合中樞 ，可以將感覺信息投射到皮層、下丘腦和腦干諸核團，形成意識水平的情緒反應。
3.2 前期準備
選擇同批次相同重量的同齡成年小鼠共100只小鼠，其中對照組20只小鼠，實驗組80只小鼠。實驗組共分為16組，四種腦區，每種腦區又分別注射興奮性光敏感蛋白ChR2和抑制性光敏感蛋白NpHR，同一腦區注射相同的光敏感蛋白的小鼠又分為兩組進行不同方式抑郁癥小鼠建模。對照組注射攜帶GFP的病毒載體。各組小鼠在相應腦區注射相應視蛋白后，按腦區分類將光纖分別埋入DP，MO，VTA，PFC四種腦區注射上方附近，術后對小鼠進行單籠飼養，約3到4周后開始進行行為學試驗。 3.3 建立抑郁癥研究的模型
?。?）糖水偏好模型。將各組小鼠放在一系列的溫和應激之下，使其受到不可預知的刺激。這些刺激包括使小鼠挨餓，不定時潑灑冰水，束縛小鼠等等。在經過三周的溫和刺激之后，觀察小鼠對糖水的偏好性并同對照組對比，小鼠對于糖水的偏好明顯降低，并同時出現攻擊力降低，毛色變差等現象。判斷為小鼠的快感缺乏，成功建立抑郁癥基礎模型。
?。?）公鼠造模。經過篩選，選擇進攻能力較強的大鼠（大白），和進攻能力很弱的小鼠（小黑）進行實驗。將小黑作為入侵鼠放在大白的籠子中，并讓他們進行身體接觸，每天15分鐘左右。在每天其余時間內將大白和小黑用帶小孔的透明隔板隔開，讓小黑可以看到聞到大白，從而對小黑造成心理陰影。十五天后，將大白盒小黑共同放入社會交互實驗箱中進行社會交互實驗，試驗箱中分為了角落區和交互區。分別在交互區有大白和無大白的情況下，觀察小黑在角落區和交互區停留的時間多少，成功建立抑郁癥基礎模型。
3.4 利用光遺傳學技術操縱興奮或抑制小鼠的腦區
分別用公鼠造模和糖水偏好兩種基礎模型得到的抑郁小鼠進行光遺傳學操作實驗。已注射光敏感蛋白的實驗小鼠，可以在適合光刺激情況下興奮（ChR2）或抑制（NpHR）該腦區的神經元，從而實現對該4個腦區的調控，探究相應腦區的興奮或抑制對抑郁癥小鼠模型行為的影響。
將不同的抑郁癥建模方式得到的小鼠，選擇固定頻率對相應腦區進行光刺激一段時間，對于“公鼠造模模型實驗組”，統計實驗小鼠在角落區和交互區停留的時間比例，對于“糖水偏好實驗組”，觀察統計實驗小鼠對糖水的喜好程度，根據光刺激前后小鼠行為變化來推斷抑郁癥發病相關的腦區。
4 總結與展望
實驗設計選擇的四個腦區與社會認知，情緒控制，大腦獎賞等有關，這些功能的異常常會導致抑郁癥的發生。通過對比相應腦區興奮或抑制前后的抑郁癥小鼠的行為學變化，判斷前額葉皮質，中腦腹側被蓋區，伏隔核，杏仁核這四種腦區與抑郁癥可能的聯系。
本研究希望通過對抑郁癥發病相關的腦區的研究，為抑郁癥治療帶來新的研究方案。還可以繼續探究該腦區中哪種神經元類型發揮了關鍵作用，進一步深入理解抑郁癥發病的生物學機制，最終有效防治抑郁癥。
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