光遺傳與光纖成像應(yīng)用于解析小腦調(diào)控焦慮的神經(jīng)機(jī)制

該研究由Yue Zhao、Jin-Tao Wu、Jia-Bin Feng等團(tuán)隊(duì)完成，研究成果以“Dual and plasticity-dependent regulation of cerebello-zona incerta circuits on anxiety-like behaviors”為題，于2025年4月在線發(fā)表在Nature Communications期刊上。

技術(shù)原理
在神經(jīng)環(huán)路研究中，傳統(tǒng)的主流方法包括電生理記錄、化學(xué)遺傳學(xué)調(diào)控及功能性磁共振成像（fMRI），這些技術(shù)雖能反映神經(jīng)集群的整體活動(dòng)或進(jìn)行藥理學(xué)干預(yù)，但在時(shí)空精度與細(xì)胞特異性方面存在局限。光遺傳學(xué)技術(shù)作為核心突破，通過(guò)病毒載體將光敏感蛋白（如興奮性蛋白o(hù)ChIEF或抑制性蛋白NpHR）特異性地表達(dá)于目標(biāo)神經(jīng)元中，利用不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行毫秒級(jí)精度的神經(jīng)元活動(dòng)激活或抑制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定神經(jīng)通路的精準(zhǔn)功能操控。

本研究的關(guān)鍵技術(shù)原理涵蓋以下幾點(diǎn)：

01采用跨突觸病毒追蹤技術(shù)解析通路結(jié)構(gòu)
通過(guò)向CN區(qū)注射AAV1-hSyn-Cre-EGFP病毒并在Ai9報(bào)告小鼠中觀察tdTomato表達(dá)，研究團(tuán)隊(duì)精確定位了CN中IN與DN神經(jīng)元向ZI的投射，并發(fā)現(xiàn)其接收神經(jīng)元主要分布于bregma -2.00至-2.80的狹窄區(qū)域。

發(fā)展歷程與應(yīng)用場(chǎng)景
小腦參與非運(yùn)動(dòng)功能的研究概念最早于1998年由Schmahmann與Sherman提出，他們基于臨床觀察首次定義了“小腦認(rèn)知情感綜合征”（CCAS），表明小腦損傷患者可出現(xiàn)情緒調(diào)節(jié)障礙。2010年后，隨著光遺傳學(xué)技術(shù)的成熟（2010年獲評(píng)Nature Methods年度技術(shù)），科學(xué)家開(kāi)始嘗試解析小腦與情感相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路。2019年，Zhang等人發(fā)現(xiàn)小腦齒狀核直接投射至杏仁核的通路介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)緩解焦慮的效應(yīng)，為小腦情緒功能研究奠定基礎(chǔ)。2025年，本研究的發(fā)表則進(jìn)一步揭示了小腦通過(guò)未定帶實(shí)現(xiàn)焦慮雙向調(diào)控的新機(jī)制，標(biāo)志著小腦情緒研究從環(huán)路發(fā)現(xiàn)邁向機(jī)制解析和靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)的新階段。

在臨床應(yīng)用方面，該通路調(diào)控技術(shù)展現(xiàn)出廣闊前景。典型病癥如廣泛性焦慮癥（GAD）及創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）當(dāng)前多以藥物及認(rèn)知行為療法為主，但存在效應(yīng)延遲或耐藥性問(wèn)題。本研究證實(shí)，通過(guò)光遺傳技術(shù)特異性激活小腦谷氨酸能輸出可誘發(fā)焦慮樣狀態(tài)，而抑制該通路或激活GABA能輸出則產(chǎn)生抗焦慮效應(yīng)。這提示未來(lái)可開(kāi)發(fā)針對(duì)小腦輸出核的非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)（如經(jīng)顱磁刺激或深部腦刺激），為難治性焦慮患者提供替代治療策略。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究的核心貢獻(xiàn)在于首次揭示了小腦核區(qū)至未定帶的雙傳輸神經(jīng)通路及其依賴突觸可塑性的焦慮調(diào)控機(jī)制。通過(guò)整合病毒追蹤、光遺傳學(xué)、在體光纖記錄與電生理技術(shù)，團(tuán)隊(duì)不僅解析了該通路的結(jié)構(gòu)連接特性，還證實(shí)了其在焦慮行為編碼中的必要性與充分性。

在實(shí)驗(yàn)方面，研究者首先運(yùn)用 Cre-Lox 依賴的病毒系統(tǒng)進(jìn)行定向投射標(biāo)記。通過(guò)在vGluT2-Cre或vGat-Cre小鼠的CN區(qū)注射AAV2/9-hSyn-FLEX-mGFP-2A-synaptophysin-mRuby，在ZI區(qū)清晰觀察到谷氨酸能和GABA能軸突末梢的分布，證明CN神經(jīng)元以雙重遞質(zhì)形式投射至ZI。進(jìn)一步通過(guò)逆行跨突觸病毒追蹤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)約30%的CN GABA神經(jīng)元投射至ZI GLU神經(jīng)元，而約28%的CN GLU神經(jīng)元投射至ZI GABA神經(jīng)元，確立了“交叉投射”的組織模式。

關(guān)鍵的光學(xué)技術(shù)應(yīng)用體現(xiàn)在行為水平的精準(zhǔn)調(diào)控上。通過(guò)在CN區(qū)表達(dá)光敏感蛋白o(hù)ChIEF或NpHR，并在ZI區(qū)植入光纖進(jìn)行在體光刺激，研究發(fā)現(xiàn)：激活CN 

GLU→ZI通路可導(dǎo)致小鼠在高架十字迷宮中開(kāi)放臂停留時(shí)間縮短、實(shí)時(shí)位置偏好測(cè)試中產(chǎn)生回避效應(yīng)，表明焦慮樣行為增強(qiáng)；抑制該通路則顯著緩解急性束縛應(yīng)激 induced 的焦慮。相反，激活CN GABA→ZI通路產(chǎn)生抗焦慮及獎(jiǎng)賞效應(yīng)。這些行為變化未伴隨運(yùn)動(dòng)能力改變，表明效應(yīng)特異于情緒狀態(tài)。

在機(jī)制層面，團(tuán)隊(duì)揭示了突觸可塑性的重要作用：對(duì)CN GLU→ZI通路進(jìn)行連續(xù)多日光遺傳刺激可引發(fā)突觸前長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP GLUpre），表現(xiàn)為自發(fā)性興奮性突觸后電流（sEPSC）頻率增加、配對(duì)脈沖抑制比率（PPR）下降及神經(jīng)元內(nèi)在興奮性升高。類似地，在CN GABA→ZI通路中誘導(dǎo)出GABA能突觸前LTP（LTP GABApre），從而持續(xù)調(diào)控ZI神經(jīng)元活動(dòng)并影響焦慮表型。

最后，研究通過(guò)化學(xué)遺傳學(xué)手段（hM3Dq/hM4Di）及破傷風(fēng)毒素阻斷突觸傳遞，驗(yàn)證了CN→ZI通路在運(yùn)動(dòng)緩解焦慮中的必要性。在體局部場(chǎng)電位（LFP）記錄表明，旋轉(zhuǎn)跑步訓(xùn)練可增強(qiáng)CN→ZI通路的傳輸強(qiáng)度，而特異性調(diào)控該通路可干預(yù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的抗焦慮效果。

挑戰(zhàn)與展望
盡管本研究揭示了小腦-未定帶通路在焦慮調(diào)控中的關(guān)鍵作用，其臨床轉(zhuǎn)化仍面臨多重障礙。目前光遺傳學(xué)技術(shù)依賴于病毒載體與侵入性光纖植入，在人類應(yīng)用中存在安全性與免疫原性風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)需推動(dòng)非侵入性調(diào)控技術(shù)（如聚焦超聲或高精度經(jīng)顱磁刺激）的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)深部腦區(qū)如小腦核的無(wú)創(chuàng)靶向。另一方面，ZI作為高度異質(zhì)性的腦區(qū)，其細(xì)胞類型復(fù)雜且與多個(gè)情感相關(guān)核團(tuán)互聯(lián)，精確界定調(diào)控靶點(diǎn)是避免副效應(yīng)的關(guān)鍵。此外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)多基于雄性小鼠，性別差異對(duì)環(huán)路功能的影響仍需進(jìn)一步探討。展望未來(lái)，研究應(yīng)致力于解析CN→ZI通路在靈長(zhǎng)類中的保守性，開(kāi)發(fā)可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)的新型光學(xué)工具，并探索多中心臨床試驗(yàn)，以驗(yàn)證小腦調(diào)控對(duì)情感障礙患者的治療潛力。

DOI:10.1038/s41467-025-58727-0.