利用Astrolight调控星形胶质细胞以调节线索驱动的行为

2025-02-18 Tue
星形胶质细胞调控行为的新发现：AstroLight工具的应用学术背景长期以来，神经科学研究主要集中在神经元的活动上，而忽略了星形胶质细胞（astrocytes）在脑功能中的作用。尽管星形胶质细胞是大脑中数量最多的细胞类型之一，传统上它们被认为是均匀的、功能单一的支持细胞。然而，越来越多的研究表明，星形胶质细胞在调节突触活动、神经元通信以及行为调控中扮演着重要角色。尽管如此，由于缺乏能够精确操控特定星形胶质细胞亚群的工具，研究人员对星形胶质细胞在神经网络中的功能异质性及其具体作用机制了解有限。
本研究旨在解决这一难题，通过开发一种新型工具AstroLight，能够基于星形胶质细胞的钙信号（calcium signaling）在光依赖条件下诱导基因表达，从而精确标记和操控特定功能亚群的星形胶质细胞。研究聚焦于伏隔核（nucleus accumbens, NAc），这是大脑奖励系统中的一个关键节点，负责整合奖励寻求、决策和空间记忆等行为。通过这一研究，作者揭示了星形胶质细胞在调控线索-奖励关联（cue-reward association）中的重要作用。
论文来源本研究由Irene Serra、Cristina Martín-Monteagudo、Javier Sánchez Romero等作者团队完成，来自西班牙的Cajal研究所（Instituto Cajal, CSIC）等机构。论文于2025年发表在Nature Neuroscience期刊上，题为“Astrocyte ensembles manipulated with AstroLight tune cue-motivated behavior”。
研究流程与结果1. AstroLight工具的开发与验证AstroLight是一种基于钙信号和光依赖基因表达的工具，能够标记和操控特定行为任务中活跃的星形胶质细胞。其工作原理是通过三种病毒载体（v1, v2, v3）在星形胶质细胞中表达合成蛋白。当细胞内钙信号升高且暴露于蓝光时，触发转录激活因子（tta）的释放，进而诱导荧光蛋白标记的效应器（如ChR2）表达。
实验流程：

- 体外实验：通过培养原代星形胶质细胞，验证AstroLight的钙信号依赖性和光敏感性。结果表明，高钙浓度和ATP处理显著增加了荧光蛋白的表达。

- 体内实验：在小鼠伏隔核中注射AstroLight病毒载体，通过光纤光度法（fiber photometry）记录钙信号，并在特定行为任务中标记活跃的星形胶质细胞。结果显示，AstroLight能够在活体中精确标记行为相关星形胶质细胞亚群。
2. 伏隔核星形胶质细胞在线索-奖励关联中的作用为了研究星形胶质细胞在奖励相关行为中的作用，作者设计了一项操作条件任务（operant conditioning task），训练小鼠将发光二极管（LED）线索与10%蔗糖溶液奖励关联起来。
实验流程：

- 行为训练：小鼠在训练期间逐渐学会将特定LED线索与奖励关联，表现为正确指数（correct index）的提高和到达奖励端口的时间缩短。

- 钙信号记录：通过光纤光度法和Camparigfap成像技术，记录伏隔核星形胶质细胞在训练期间的钙信号变化。结果显示，奖励消费触发了星形胶质细胞的钙信号响应，且随着训练的进行，线索呈现也引发了显著的钙信号活动。
3. AstroLight标记的行为相关星形胶质细胞亚群在训练的第8天，作者使用AstroLight标记了在奖励交付时活跃的星形胶质细胞亚群，并分析了这些细胞在伏隔核中的空间分布。
实验流程：

- 标记与成像：通过三维定量方法，分析标记的星形胶质细胞在伏隔核中的分布。结果显示，任务相关星形胶质细胞亚群主要分布在伏隔核的腹侧和后侧区域，且与Camparigfap记录的钙信号活动高度相关。

- 行为测试：通过光遗传学刺激标记的星形胶质细胞，观察其对小鼠行为的影响。结果表明，激活任务相关星形胶质细胞亚群显著增加了小鼠对特定奖励位置的偏好。
4. 星形胶质细胞亚群的操控与行为调控为了进一步验证星形胶质细胞亚群在行为调控中的因果关系，作者使用AstroLight在标记的星形胶质细胞中表达Gq-DREADDs（designer receptors exclusively activated by designer drugs）或hPMCA2w/b（human plasma membrane Ca2+ ATPase），分别增强或抑制钙信号活动。
实验流程：

- Gq-DREADDs激活：在任务相关星形胶质细胞中表达Gq-DREADDs，并通过CNO（clozapine N-oxide）激活这些细胞。结果显示，激活这些细胞显著增加了小鼠对特定奖励位置的偏好。

- hPMCA2w/b抑制：抑制任务相关星形胶质细胞的钙信号活动后，小鼠对特定奖励位置的偏好显著降低。这一结果表明，星形胶质细胞的钙信号活动对线索-奖励关联的调控具有双向作用。
结论与意义本研究通过开发AstroLight工具，首次揭示了星形胶质细胞在伏隔核中形成功能特化的亚群，并在调控线索-奖励关联中发挥重要作用。研究结果表明，星形胶质细胞并非均匀的群体，而是组织成特定的功能亚群，通过钙信号活动精细调控复杂行为。这一发现不仅深化了我们对星形胶质细胞功能的理解，还为研究大脑神经网络中的非神经元细胞提供了新的工具和方法。
研究亮点AstroLight工具的创新性：AstroLight是首个能够基于钙信号和光依赖条件精确标记和操控星形胶质细胞亚群的工具，具有高时空分辨率。

星形胶质细胞功能亚群的发现：研究首次揭示了星形胶质细胞在伏隔核中形成功能特化的亚群，并证明其在行为调控中的关键作用。

行为调控的双向机制：通过激活或抑制星形胶质细胞的钙信号活动，研究证明了星形胶质细胞对线索-奖励关联的双向调控作用。
其他有价值信息本研究的发现为理解大脑奖励系统的复杂机制提供了新的视角，并可能为治疗与奖励相关行为障碍（如成瘾、抑郁症）提供新的治疗靶点。此外，AstroLight工具的广泛应用将推动星形胶质细胞研究领域的进一步发展。