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动物的行为会整合过去的经验以适应环境变化。瞬态扰动可改变神经回路动态和行为，研究这种变化的机制需要在行为过程中对大脑进行测量。斑马鱼的光学可及性使其成为研究此类问题的理想系统。之前研究表明斑马鱼存在一种由行为无效性诱导的被动性状态转换行为，与哺乳动物的被动应对和习得性无助行为类似，而氯胺酮可调节此类行为，因此研究其对行为的作用机制具有重要意义。
基于此，2024年12月17日哈佛大学分子与细胞生物学系Misha B. Ahrens研究团队在Neuron杂志发表了“Ketamine induces plasticity in a norepinephrine-astroglial circuit to promote behavioral perseverance”揭示了氯胺酮诱导去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路中的可塑性，以促进行为的持续性。
短暂接触氯胺酮可引发行为和情绪方面的持久变化。作者发现，短暂接触氯胺酮会对斑马鱼幼鱼因徒劳无果而产生的消极被动状态造成长期抑制，扭转其在游动无法产生向前移动时通常会出现的“放弃”反应。全脑成像显示，氯胺酮会使负责消极被动状态的去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路过度激活。在洗去氯胺酮后，该回路对徒劳无果的情况表现出低敏感性，从而导致长期的坚持性增强。药理学、化学遗传学以及光遗传学方面的操作表明，去甲肾上腺素和星形胶质细胞对于氯胺酮产生的增强长期坚持性的后续效应而言，既是必要条件，也是充分条件。在体钙成像显示，成年小鼠大脑皮层中的星形胶质细胞在悬尾实验中出现徒劳无果情况时也会被类似地激活，而且急性氯胺酮暴露同样会诱导星形胶质细胞过度激活。氯胺酮对去甲肾上腺素能-星形胶质细胞回路调节作用在不同物种间的保守性，以及该通路中的可塑性能够改变对徒劳无果情况的行为反应为治疗情感障碍的新策略带来了希望。
图一 氯胺酮诱导斑马鱼幼鱼对无效性诱导的被动性产生长期抑制
首先在虚拟现实环境中进行无效性诱导的被动性实验，包括将鱼嵌入琼脂糖中，监测游泳行为，实验分为休息、闭环和开环三个阶段，通过给予不同的视觉刺激诱导游泳，分析鱼在开环阶段的被动行为。在休息阶段，光栅是静止的。在闭环阶段，光栅稳定地向前移动，通过视动反应（OMR）诱导鱼游动。如果鱼在闭环阶段游动，向前移动的光栅会减速并改变方向，以此通过有效游动来示意鱼自身的向前运动。相比之下，在开环阶段，光栅同样向前移动，但鱼的游动并不会影响光栅的运动，所以这种游动是徒劳的。开环会先诱导一段活力较高的游动期，随后会出现短暂的游动停止（消极被动状态），这是一种对徒劳游动的“放弃”反应。作者首先测试了氯胺酮的作用，氯胺酮是NMDAR拮抗剂，广泛用作速效解离性麻醉。
先前的研究表明，在较低剂量下氯胺酮会引发持续的抗抑郁作用。让鱼短暂接触浓度为200毫克/毫升的氯胺酮，然后使其从急性麻醉作用中恢复过来，对这些鱼进行了因徒劳无果而产生消极被动性的实验检测。首先分析了鱼恢复后在闭环阶段的游动情况，发现经处理的鱼和对照鱼在闭环阶段都表现出正常的游动。其次，自由游动的鱼在处理组和未处理组之间展现出相同的游动速率。综合这些数据表明，氯胺酮不会诱导斑马鱼幼鱼的基础运动行为发生长期变化。接下来，作者分析了氯胺酮对开环阶段因徒劳无果而产生消极被动性的影响。在开环阶段，未经处理的对照鱼会在游动、挣扎以及消极被动状态这几种状态之间转换。在经氯胺酮处理的鱼中，开环阶段消极被动状态的持续时间减少，且呈剂量依赖性。在使用氯胺酮后，鱼在开环阶段的游动活力比闭环阶段更高，这表明消极被动状态的减少并非是由于幼鱼未能察觉徒劳的游动。也不是由于从麻醉状态中运动恢复缓慢所致，因为预先接触麻醉性钠通道阻滞剂MS-222对因徒劳无果而产生的消极被动性并无影响。因此，氯胺酮抑制了因徒劳无果而产生的消极被动性，并以一种有别于其麻醉或解离作用的方式促进行为的坚持。
图二 不同实验条件下鱼类和小鼠的行为和星形胶质细胞钙动态的变化
斑马鱼因无效性诱导的被动性实验与啮齿动物悬尾试验这类习得性无助模型有共同特征，在这两种检测实验中，试图摆脱厌恶情境的尝试都是徒劳的，且都包含激烈挣扎和消极被动状态这两种情况。在斑马鱼中，徒劳的游动会在星形胶质细胞中引发强烈的、通常是全脑范围的钙信号。在无效性诱导的环境中，斑马鱼和小鼠都会表现出从主动行为向被动行为的转变。例如，斑马鱼在虚拟现实环境中，当给予无效的视觉刺激时，其游泳行为会从主动变为被动；小鼠在尾悬架测试中，也会出现从挣扎（主动）到不动（被动）的转变。研究发现，在这些行为转变过程中，星形胶质细胞的钙信号在斑马鱼和小鼠大脑中都起到重要作用。星形胶质细胞是神经胶质细胞的一种，它们在调节神经元活动和神经回路功能方面有重要作用。在两种动物模型中，星形胶质细胞的钙活性在从主动到被动行为的转变过程中都有所变化。
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此外，氯胺酮对斑马鱼和小鼠的无效性诱导的被动行为都有调节作用。氯胺酮可以抑制斑马鱼和小鼠在无效环境中的被动行为，这表明氯胺酮对这种行为的调节机制在进化上可能是保守的。研究测试了一些近期合成的具有不同化学结构的致幻剂类似物，包括 R-69、AAZA-154和TBG，发现这些化合物与在啮齿动物模型中报道的一样，能够显著减少斑马鱼的被动行为，这表明它们的行为效应在物种间是保守的。相比之下，在啮齿动物和人类中起效时间较长的传统抗抑郁药，如选择性SSRIs和三环类抗抑郁药（TCAs），在单次给药1小时后，没有显示出抑制被动行为的效果。氯胺酮能触发斑马鱼幼鱼由无效性诱导的被动行为的持续减少，这反映了大脑活动的持久改变。
图三 氯胺酮能够引起星形胶质细胞内钙信号的长期升高
去甲肾上腺素（NE）是一种在进化上保守的星形胶质细胞钙信号调节剂。研究人员想要确定氯胺酮是否通过作用于 NE 对星形胶质细胞钙信号的调节来发挥作用。使用了在星形胶质细胞中表达钙指示剂 jRGECO1a 的未麻痹、头部嵌入的 Tg (gfap:jRGECO1a) 鱼，使用宽场荧光成像对鱼在氯胺酮暴露期间的星形胶质细胞钙活动进行成像。急性暴露于氯胺酮会导致星形胶质细胞胞质钙浓度呈剂量依赖性大幅上升）。这种上升在氯胺酮处理后持续超过20分钟。氯胺酮引起的钙浓度升高比在开环挣扎过程中出现的短暂钙浓度升高幅度更大且持续时间更长。这种由氯胺酮引起的钙浓度升高是氯胺酮特异性的，因为在使用氟西汀、MS-222或DOI时，没有观察到这种现象。这些结果提示，在氯胺酮治疗过程中，去甲肾上腺素对星形胶质细胞长达数分钟的激活可能在其抑制未来被动行为中起作用。也就是说，氯胺酮可能通过影响去甲肾上腺素对星形胶质细胞的调节，进而改变行为表现，特别是抑制由无效性诱导的被动行为。
图四 氯胺酮引起小鼠星形胶质细胞钙活性的急剧增加
NE及相关分子可直接增加果蝇、鱼类和哺乳动物体内星形胶质细胞的钙含量，这表明该调节通路在进化上高度保守。氯胺酮会增强哺乳动物大脑中去甲肾上腺素的释放，这意味着哺乳动物的星形胶质细胞活动可能会因氯胺酮而增强。作者重新检测了氯胺酮在未麻醉动物体内对哺乳动物星形胶质细胞的影响。利用双光子显微镜对Aldh1l1 - CreER；R26 - lsl - GCaMP6s小鼠在头部固定且清醒的状态下监测其星形胶质细胞的钙水平。对压后皮层（RSC）的星形胶质细胞进行成像，该区域与氯胺酮的解离作用产生有关。对小鼠进行急性腹腔注射氯胺酮后，会诱导星形胶质细胞钙含量出现显广泛的升高。在所有接受测试的动物中，对氯胺酮产生的钙反应在注射后几分钟达到峰值，并持续10多分钟，这与在斑马鱼中观察到的时间进程相似。视野内星形胶质细胞钙含量升高包含缓慢减弱的平台期反应以及离散钙瞬变的增加，这些反应可通过使用右美托咪定进行处理而消除。
为了评估这种星形胶质细胞钙含量升高与周围神经元活动之间的关系，作者同时对Aldh1l1 - CreER；GCaMP6s；Thy1 - jRGECO小鼠（其星形胶质细胞中表达GCaMP6s，兴奋性神经元中表达jRGECO）的星形胶质细胞和神经元钙水平进行成像。与在斑马鱼幼鱼中的观察结果类似，注射氯胺酮会导致神经元活动减少，这与神经胶质细胞钙含量升高情况相对应。这些数据表明，氯胺酮对星形胶质细胞和神经元活动的调节作用在不同物种间存在相似性，这种相似性可能与动物对无效环境的行为适应机制相关。
图四 全文总结图
总结
这项研究强调了氯胺酮对行为的长期影响应在其对单胺能神经调节和神经元-星形胶质细胞通信的快速深刻影响的背景下重新评估，同时为理解抗抑郁药物的作用机制提供了新的视角，提示不同治疗方法可能汇聚到一个共同的后脑去甲肾上腺素-星形胶质网络以诱导快速和持续的抗抑郁效果。氯胺酮能够诱导去甲肾上腺素-星形胶质细胞回路产生可塑性，进而促进行为的坚持性，且这一机制在不同物种间具有一定保守性，为治疗情感障碍等提供了潜在策略依据。
文章来源
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.11.011
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