IF=17.521【客户文章】Adv Sci：南京大学徐运教授团队揭示特异性激活内侧前额叶谷氨酸能神经元改善慢性缺血性脑白质损伤

         慢性脑缺血指各种原因（如脑小血管病、颈动脉狭窄等）引发的长期脑血流灌注不足，其最常见的神经病理学特征为脑白质损伤。脑白质损伤可影响认知功能并增加血管性痴呆的风险，目前尚无有效的治疗方法。近年来研究发现，神经元能够以活性依赖的方式调控少突胶质谱系细胞，促进其分化或髓鞘生成，即适应性髓鞘形成[1-3]。但在慢性脑缺血中，增加神经元活性能否促进脑白质修复目前仍不清楚。

        光遗传学技术是在特定类型细胞中表达外源光敏感蛋白，从而在体内操控细胞活性[4]。化学遗传学指通过微量输注生物惰性配体以激活工程受体，从而调控特定细胞活性的技术[5]。两种技术均可以在特定时间对特异类型的神经元活性进行精准调控[6]。运用该技术的研究成果能够为相关疾病的神经调控治疗的临床转化提供理论依据。本研究旨在探讨利用光化学遗传学手段激活内侧前额叶皮层谷氨酸能神经元对慢性缺血性脑白质损伤的影响及潜在机制。

        2022年12月18日，南京大学医学院附属鼓楼医院的徐运教授团队在《先进科学》（Advanced Science）上发表了题为“Optogenetic Stimulation of mPFC Alleviates White Matter Injury-Related Cognitive Decline after Chronic Ischemia through Adaptive Myelination”的研究论文，提出了基于适应性髓鞘形成理论的慢性缺血性脑白质损伤治疗新策略。博士生邓世佶、舒姝博士、翟利利博士为论文共同第一作者，徐运教授、刘品一博士为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现，慢性脑缺血模型小鼠存在认知功能下降与脑白质损伤，其内侧前额叶皮层（mPFC）向胼胝体发出神经纤维投射。运用光化学遗传学手段激活小鼠mPFC谷氨酸能神经元促进了胼胝体区域白质修复并改善了工作记忆。机制方面，谷氨酸能神经元激活上调Wnt2的表达，其通过促进少突胶质前体细胞的分化以改善脑白质损伤。本研究揭示了神经调控在改善脑白质损伤及相关认知障碍中的治疗潜力。
 

 

        本研究制备双侧颈动脉狭窄（BCAS）模型发现，造模后2个月小鼠出现认知功能障碍及白质损伤，且认知功能下降程度与白质损伤程度呈正相关（图1）。作者采用病毒示踪技术发现小鼠mPFC谷氨酸能神经元发出的投射经过胼胝体（图1）。随后，利用光遗传学及化学遗传学技术激活BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神经元，电生理检测结果显示相比于假手术（Sham）小鼠，BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神经元活性降低，而光化学遗传学刺激提高了BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神经元活性（图1）。采用Y迷宫和T迷宫对工作记忆进行检测，发现BCAS后小鼠工作记忆出现障碍，而激活mPFC谷氨酸能神经元显著改善BCAS小鼠工作记忆（图1）。以上结果提示，运用光化学遗传学手段激活BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神经元可以改善工作记忆。
 

图1 光遗传学刺激改善脑白质损伤相关的认知功能障碍。（图源：Shiji Deng, et al., Adv Sci, 2022）
 

        随后，作者检测了激活mPFC谷氨酸能神经元对BCAS小鼠脑白质损伤的影响。作者在神经影像、组织病理（黑金染色）及微结构（电镜）等多层面验证了激活mPFC谷氨酸能神经元能够改善BCAS小鼠的脑白质病变（图2）。此外，作者通过通过胼胝体复合动作电位检测发现，激活mPFC也改善了BCAS小鼠的轴突传导速率（图2）。这些结果表明，激活mPFC谷氨酸能神经元能够改善BCAS小鼠的脑白质损伤。
 

图2 化学遗传学刺激促进髓鞘修复。（图源：Shiji Deng, et al., Adv Sci, 2022）
 

        为了进一步研究脑白质改善与少突胶质细胞谱系的关系，作者分别标记少突胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPC），发现相较于Sham小鼠，BCAS小鼠胼胝体区域少突胶质细胞的数量及其在少突谱系中的占比均减少，OPC的数量增加；而激活mPFC神经元后，成熟少突胶质细胞的数量及比例增加（图3）。这表明，激活mPFC谷氨酸能神经元能够促进OPC向少突胶质细胞分化。
 

        为了进一步探究mPFC谷氨酸能神经元激活改善脑白质损伤的潜在机制，作者对BCAS小鼠及光遗传刺激后BCAS小鼠的mPFC组织进行微阵列分析。结合相关数据库筛选并验证发现Wnt2是唯.一显著变化的基因。同样，化学遗传学刺激后BCAS小鼠mPFC区域的Wnt2的表达也明显上升。随后，作者通过立体定位注射rAAV在mPFC谷氨酸能神经元中过表达Wnt2。认知行为学测试及脑白质完整性检测的结果表明，Wnt2过表达改善了BCAS小鼠的工作记忆及白质损伤（图4）。此外，作者通过体内外实验也进一步证实Wnt2能够促进OPC向少突胶质细胞进一步分化（图4）。以上结果提示，激活的mPFC谷氨酸能神经元可能通过分泌Wnt2促进胼胝体的OPC向少突胶质细胞分化，进而改善慢性缺血性脑白质损伤。
 

图4 mPFC谷氨酸能神经元过表达Wnt2改善脑白质损伤和认知功能障碍。（图源：Shiji Deng, et al., Adv Sci, 2022）


图5 工作总结图：光化学遗传学手段激活mPFC谷氨酸能神经元改善慢性缺血性脑白质损伤及认知障碍。（图源：Shiji Deng, et al., Adv Sci, 2022）
 

文章结论与讨论，启发与展望

        综上所述，该研究结合光遗传学、化学遗传学、行为学、神经影像、电生理等多种技术方法，揭示了特异性激活mPFC谷氨酸能神经元改善慢性缺血性脑白质损伤及相关认知功能障碍，并发现了来源于激活的神经元的Wnt2可能是促进OPC向少突胶质细胞分化，促进脑白质修复的潜在关键分子（图4）。本研究提出了基于适应性髓鞘形成理论的慢性缺血性脑白质损伤治疗新策略，丰富了适应性髓鞘形成理论在疾病治疗中的应用，也为临床运用神经调控技术治疗脑白质损伤提供了理论依据和新靶点，具有临床转化意义。

        此外，在本研究的机制探索部分，作者主要聚焦于神经元分泌型蛋白在脑白质修复中的作用，而其他因素，如神经元和少突胶质细胞间的小分子物质传输及电信号传导是否也在其中发挥作用，目前仍不清楚，有待进一步研究。
 

通讯作者：徐运教授（照片提供自：徐运教授团队）

通讯者简介

        徐运，主任医师、教授、博士生导师、国务院政府特殊津贴专家、首席科学家、中国杰出神经内科医师，江苏省优秀医学领军人才。南京鼓楼医院神经内科行政主任、国家临床重点专科（神经病学）学科带头人、中华医学会神经病学分会副主任委员、中国医师协会神经内科副会长、江苏省神经内科临床重点专科和神经病学重点学科带头人、南京大学脑重大疾病转化医学研究所所长等。曾在德国海德堡大学、美国霍普金斯大学留学。长期致力于脑血管病和AD的基础和临床研究。主持国家、省部级科研项目30多项。其中牵头 “脑科学与类脑研究”重大项目1项、国自然基金重点项目3项、国际合作1项、江苏省科技厅医学重点项目3项等。获省部级科技一、二等奖5项。发明专利10项。主编和参编论著12部，副主编和参编教材5部。主笔和参编神经系统疾病诊疗指南30余部。发表论文300余篇，通讯SCI文章202篇，H因子46。发表在PNAS，Stroke，Brain Behav Immun，Mol Ther，Adv Sci，Aging Cell，J Neuroinflammation, NPP等高水平杂志上，入选2020年、2021年“中国高被引学者”，为最具全球影响力的中国学者。
 

参考文献

[1] Gibson EM, Purger D, Mount CW, et al. Neuronal activity promotes oligodendrogenesis and adaptive myelination in the mammalian brain. Science. 2014;344(6183):1252304. doi:10.1126/science.1252304

[2] Geraghty AC, Gibson EM, Ghanem RA, et al. Loss of Adaptive Myelination Contributes to Methotrexate Chemotherapy-Related Cognitive Impairment. Neuron. 2019;103(2):250-265.e8. doi:10.1016/j.neuron.2019.04.032

[3] Mitew S, Gobius I, Fenlon LR, et al. Pharmacogenetic stimulation of neuronal activity increases myelination in an axon-specific manner. Nat Commun. 2018;9(1):306. Published 2018 Jan 22. doi:10.1038/s41467-017-02719-2

[4] Kim CK, Adhikari A, Deisseroth K. Integration of optogenetics with complementary methodologies in systems neuroscience. Nat Rev Neurosci. 2017;18(4):222-235. doi:10.1038/nrn.2017.15

[5] Urban DJ, Roth BL. DREADDs (designer receptors exclusively activated by designer drugs): chemogenetic tools with therapeutic utility. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2015;55:399-417. doi:10.1146/annurev-pharmtox-010814-124803

[6] Ben-Shaanan T, Schiller M, Rolls A. Studying brain-regulation of immunity with optogenetics and chemogenetics; A new experimental platform. Brain Behav Immun. 2017;65:1-8. doi:10.1016/j.bbi.2016.11.024

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