【客户文章】Cell Rep︱神经元竞争抗抑郁新机制！南方医科大学曹雄团队揭示成年海马新生神经元通过竞争负性记忆印迹细胞发挥抗抑郁样作用

1. 增强成年海马神经发生可缓解无助行为

研究人员首先采用小鼠习得性无助（learned helplessness，LH）模型研究压力相关行为。在连续不可逃避的足底电击后，部分小鼠逐渐表现出逃避失败次数增加和逃避潜伏期延长等无助行为。

为检验成年神经发生是否能够直接影响该行为，研究人员采用病毒结合转基因鼠策略促进海马齿状回（Dentate gyrus, DG）中新生神经元的生成。结果显示，促进成年海马神经发生后，小鼠在LH模型逃避测试中的失败次数显著减少，提示增加新生神经元数量能够缓解无助行为。

随后，研究人员采用自主跑步运动这一方式促进成年海马神经发生。自主跑步28天后同样显著降低小鼠的逃避失败次数；而通过局部X射线照射抑制海马DG区神经发生，跑步产生的无助行为改善被消除。

病毒结合转基因鼠增加、运动促进和X射线抑制成年海马神经发生三个实验结果表明，促进成年海马神经发生可缓解无助行为。

图1 增强成年海马神经发生缓解无助行为

2. 化学遗传学操纵LH-TRAPed neurons双向调控应激相关行为

负性经历招募特定的活动神经元集群。为了标记习得性无助经历期间被激活的神经元，研究人员采用基于即刻早期基因Fos的TRAP策略，将这些海马DG神经元标记，并定义为LH-TRAPed neurons，即“习得性无助经历标记神经元”。

结果发现，化学遗传学抑制LH-TRAPed neurons可减轻应激相关行为缺陷；相反，重新激活这些神经元则可促进无助行为表达。在跑步小鼠中重新激活LH-TRAPed neurons，可逆转成年神经发生增加所带来的无助行为降低，并使其重新出现无助行为。那么，跑步产生的新生神经元是否通过竞争LH-TRAPed neurons而发挥作用？

图2 LH-TRAPed neurons双向调控无助行为

3. 新生神经元竞争LH-TRAPed neurons的突触输入

为进一步探究跑步产生的新生神经元是否通过竞争LH-TRAPed neurons而发挥作用，研究人员采用离体全细胞膜片钳技术，分别记录LH-TRAPed neurons和成年新生神经元的微小兴奋性突触后电流（miniature excitatory postsynaptic current，mEPSC）。

结果显示，跑步后LH-TRAPed neurons的mEPSC频率降低，提示兴奋性突触输入减少；通过X射线抑制成年神经发生后，这一变化被逆转。与之相反，跑步提高了成年新生神经元的mEPSC频率，提示新生神经元获得了更多兴奋性突触输入。

为了进一步比较两类神经元竞争突触输入的能力，研究人员在同一脑片中对LH-TRAPed neurons和邻近的新生神经元进行配对记录。未跑步状态下，LH-TRAPed neurons获得的兴奋性突触输入相对更强；跑步后，这种相对优势发生转换，新生神经元获得的兴奋性输入超过LH-TRAPed neurons。因此，跑步促进神经发生后，新生神经元获得更多兴奋性突触输入，而LH-TRAPed neurons获得的输入相应减少。这种突触输入的此消彼长，为两类细胞之间可能存在的功能性竞争提供了重要证据。

图3 促进成年海马神经发生减少LH-TRAPed neurons突触输入

4. 海马新生神经元选择性削弱LH-TRAPed neurons的突触结构

树突棘是兴奋性突触的重要结构基础。研究人员进一步比较跑步后LH-TRAPed neurons与非TRAPed成熟神经元（Non-TRAPed neurons）的树突棘变化。

结果显示，跑步显著降低LH-TRAPed neurons的树突棘密度；在抑制成年神经发生后，其树突棘密度得到恢复。值得注意的是，跑步并未导致所有成熟颗粒细胞的树突棘普遍下降。在Non-TRAPed neurons中，跑步反而增加了树突棘密度。

这一结果排除了跑步造成普遍性突触损伤的可能，说明跑步诱导的突触结构重塑具有细胞群体差异。结果提示：新生神经元可能通过竞争有限的突触输入，选择性削弱LH-TRAPed neurons的突触连接。

图4 促进海马神经发生降低LH-TRAPed neurons树突棘密度

5. 海马新生神经元降低LH-TRAPed neurons的在体钙活动

为探究促进成年海马神经发生是否影响LH-TRAPed neurons的在体活动，研究人员在LH-TRAPed neurons中表达GCaMP6s钙离子探针，并利用光纤记录技术监测其群体细胞钙离子活动。结果显示，跑步降低了LH-TRAPed neurons在行为检测过程中的钙活动；而通过X射线抑制成年神经发生后，该神经元集群的活动重新增强。这些结果表明，海马新生神经元降低LH-TRAPed neurons的钙活动。

6. PAK4参与调节LH-TRAPed neurons的突触传递功能，进而介导小鼠无助行为

为寻找新生神经元竞争LH-TRAPed neurons的分子基础，研究人员分离LH-TRAPed neurons并开展Smart-seq2转录组分析。结合差异表达基因、功能富集和突触结构调控相关信息，研究将注意力集中在p21活化激酶4（p21-activated kinase 4，PAK4）上。PAK家族蛋白参与肌动蛋白细胞骨架、树突棘稳定性及突触可塑性调控。研究发现，跑步后LH-TRAPed neurons中的Pak4表达下降，提示PAK4可能是连接成年神经发生竞争LH-TRAPed neurons的突触传递的重要分子基础。

为验证其因果作用，研究人员在LH-TRAPed neurons中特异性过表达Pak4。结果显示，Pak4过表达恢复了跑步后LH-TRAPed neurons的兴奋性突触输入和树突棘密度，并逆转跑步诱导的无助行为降低。

图5 PAK4参与调节LH-TRAPed neurons的突触传递功能，进而介导小鼠无助行为

传统观点多关注如何直接抑制异常活跃的负性神经元集群，而该工作从神经元竞争角度提出新生神经元竞争削弱压力相关神经元集群发挥抗抑郁作用，为抗抑郁机制提供了新的思考方向。该研究仍存在需要进一步探索的问题。已有研究表明，跑步运动除显著促进成年神经发生之外，还可产生广泛的神经可塑性效应。因此不能排除，部分不依赖神经发生的效应，也可能对压力相关神经元集群产生影响。新生神经元与压力相关神经元集群发生直接细胞竞争的详细机制，以及Pak4的调控作用是否由新生神经元直接介导，尚不明确，有待后续进一步研究。

图6 文章总结图：自主跑步促进成年海马神经发生，新生神经元与LH-TRAPed neurons竞争，削弱应激诱导的无助行为，发挥抗抑郁样作用