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动物行为学实验是神经科学研究领域的重要组成部分，主要侧重于科学客观地评价各种条件下的动物行为。动物行为学实验种类繁多，研究不同的疾病模型时，研究人员需根据关注的具体行为选择合适的研究手段。《动物行为实验手册》为学习记忆类、抗焦虑抑郁类、抗疲劳类、神经精神类、痛觉测试类、嗅觉测试类、社会行为类及特定行为评估类等，其中许多实验需要借助特制的仪器、记录及分析系统。

2025年1月31日，法国国家科学研究中心Peter Vanhoutte团队在Biological Psychiatry发表“Nuclear calcium signaling in D1 receptor-expressing neurons of the nucleus accumbens regulates molecular, cellular and behavioral adaptations to cocaine” ， 揭示了伏隔核中表达D1受体的神经元的核钙信号调节对可卡因的分子、细胞和行为适应性。

纹状体中细胞外信号调节激酶（ERK）通路的激活能够触发一个转录程序，从而塑造对可卡因的长期反应。此外，核钙信号也被证明可以控制多种依赖转录的神经适应性变化，但在成瘾的临床前模型中，纹状体核钙信号的动力学和作用仍不清楚。为了探索这些问题，研究人员开发了一种基因编码的、细胞类型特异性的核钙探针，用于监测自由活动小鼠纹状体神经元核内钙离子动态变化。他们还使用了一种细胞类型特异性核钙信号抑制剂，并结合三维神经元形态成像、免疫染色和行为测试来分析在表达多巴胺D1受体（D1R）或D2受体（D2R）的NAc中等大小棘突神经元（MSN）中，核钙信号在可卡因引发的反应中的角色。研究结果表明，通过NMDAR介导的D1R增强的钙流入，不仅影响可卡因的效果，还驱动了核钙瞬变。经过可卡因处理的小鼠在NAc D1R-MSN中表现出持续增加的核钙水平。干扰D1R-MSN中的核钙信号能够阻止可卡因引起MSN的形态变化和基因表达，并削弱可卡因的奖赏效应。

图一 D1R与NMDAR信号传导途径之间存在交互作用

在体内研究纹状体核 Ca²⁺信号在可卡因介导反应中的前提是监测其在中等棘状神经元（MSN）中的动态变化。由于可卡因适应性行为严重依赖于伏隔核（NAc）中 D1 型多巴胺受体阳性中等棘状神经元（D1R - MSN）中 Ca²⁺依赖的细胞外调节蛋白激酶激活，首先使用培养的纹状体神经元进行实验，其中大多数神经元都表达 D1R。分别用低剂量的谷氨酸（0.3μM）或 D1R 激动剂 SKF38393（3μM）刺激或者将二者联合使用。共刺激模式有助于识别在体内塑造可卡因适应性行为的信号事件，其中包括 D1R 刺激引发NMDAR增强，该增强会触发D1R- MSN中Ca²⁺依赖的ERK激活。用携带编码钙探针GCaMP3的腺相关病毒AAV - GCaMP3-NLS感染培养的MSN，该探针由于其C末端融合了三个核定位信号能够靶向细胞核。单独使用低剂量的谷氨酸或SKF38393对细胞核Ca²⁺浓度没有影响。相反，共刺激模式使细胞核Ca²⁺水平出现短暂升高，而这种升高可被NMDAR拮抗剂APV阻断。这些结果表明，D1R-NMDAR异源二聚化在体外环境中对驱动纹状体核 Ca²⁺瞬变至关重要，而这种异源二聚化在体内能够调节可卡因诱发的反应

图二 可卡因通过影响细胞内的钙信号传导来改变神经元的功能和行为反应

在体外实验中，研究人员在急性纹状体切片通过给予谷氨酸或SKF38393（一种D1受体激动剂），单独或联合应用，观察到共刺激模式能够触发一些由可卡因引起的适应性变化，如ERK活化、下游即早基因（IEG）诱导及树突棘密度增加。为了实现对D1R-MSN中核钙水平的细胞类型特异性监测，研究人员将AAV-PPTA-Cre病毒与AAV-DIO GCaMP3-NLS病毒混合注射到小鼠NAc区域。这种方法使得能够在D1R-MSN中特异性地表达Cre重组酶和GCaMP3-NLS用于检测钙离子浓度变化。接下来，利用双光子成像技术，研究人员发现D1受体和NMDA受体的共同激活导致了D1R-MSN中核钙水平的逐渐且持续上升，而单独使用谷氨酸或SKF38393则没有这种效果。此外，研究人员还使用了光纤记录法来监测自由活动小鼠在接受生理盐水或可卡因注射前后NAc区域的核钙动态变化。结果显示，单次可卡因注射后5分钟内即可明显提高D1R-MSN中的核钙水平，并在注射后的前10分钟内逐渐增加，直至注射后10至20分钟达到稳定状态。表明可卡因能在体内引起D1R-MSN中核钙水平的快速和持续上升，揭示了这一过程对于理解药物成瘾机制的重要性。

图三 核钙依赖性信号传导在D1R-MSN中对可卡因介导的即早基因诱导和形态学变化具有调控作用

研究者们利用腺相关病毒在NAc区域的D1R-MSN中干扰核钙信号传导，并观察到这种干扰能够阻止由可卡因引起的c-Fos和Arc蛋白的诱导。这表明，激活核钙信号通路对于控制可卡因诱发的与神经可塑性相关的IEG表达至关重要。进一步的研究发现，急性或重复给予可卡因后，D1R-MSN中的树突棘密度增加，这导致对NAc D1R-MSN的谷氨酸能连接性的增强。由于已知核钙信号在海马能够控制神经元分化和树突棘密度，研究者们推测它同样可能参与了可卡因诱导的MSN形态学变化。通过使用AAV-mScarlet-CaMBP4和AAV-mScarlet-NLS病毒感染小鼠，并采用绿色亲脂性细胞膜染料DIO随机标记两种亚型的MSN树突片段，证实了在D1R-MSN中表达CaMBP4可以阻断可卡因介导的树突棘密度增加。CaMBP4表达影响了薄型和蘑菇型树突棘，表明核钙信号传导对于维持这些特定类型的树突棘结构是必要的。

综上所述，这项研究的重大突破在于它为开发具有治疗潜力的新策略以缓解成瘾症状提供了理论基础。通过深入了解可卡因如何通过改变核钙信号来影响神经适应性，能够更精确地针对这一机制设计干预措施。例如，开发能够调节核钙信号的药物可能有助于减轻或逆转成瘾相关的神经适应性变化，从而帮助减少复吸的风险和改善戒断治疗的效果。此外，这项研究还强调了神经科学领域中技术进步的重要性，不仅对于理解成瘾机制至关重要，也为其他神经精神疾病的治疗开辟了新的途径。总之，本研究为进一步探索和治疗药物滥用障碍奠定了重要的科学基础。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2025.01.013

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