生物科学之神经生物学学术沙龙概述

申丰铭，杨绍杰，王 娟，朱国旗

(安徽中医药大学新安医学教育部重点实验室，合肥 230038)

神经生物学是当今生物科学界重点关注的学科，也是生命科学的前沿，涵盖神经科学及其相关的生物研究领域，与人类健康息息相关。神经生物学从分子、细胞、突触连接、环路等多个层面对生物体神经系统进行研究，而神经系统的研究须借助各种先进的现代技术，如：在体电生理可以记录特定脑区的神经元放电和局部场电位；膜片钳技术可以检测单个细胞，甚至是单个离子通道的电势变化；光遗传学(Optogenetics)和光纤记录等可以研究特定细胞群的活动。这些技术都能够使复杂的生物学机制直观地展现出来。

光遗传学是近年来迅速崛起的一项生物工程技术，它涵盖了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多种技术手段，在现代神经生物学中应用广泛，尤其在神经环路、生物行为、中枢神经系统疾病及精神疾病的机理研究中发挥着重要作用[1]。光遗传学的主要原理是利用分子生物学、病毒生物学等手段，将外源光敏蛋白基因导入活体动物神经细胞中，在细胞膜上表达出光敏蛋白，然后通过特定波长的光照射，控制细胞膜上光敏蛋白的激活与抑制，进而控制细胞膜上离子通道的开放与闭合，改变细胞膜电压的变化，如膜的去极化与超极化，以达到对细胞选择性兴奋或抑制的目的。

1 神经生物学热点研究现状

在神经生物学大学科中，有许多热门的研究领域，包括疼痛-情绪共病、应激与免疫、奖赏与药物成瘾、认知功能、睡眠与觉醒等。与会专家分别就各自研究领域进行了深入探讨。

1.1 疼痛-情绪共病

痛觉是生物机体的一种保护机能，当机体产生痛觉时，实则是机体的保护警示，但当疼痛长期存在的时候，如癌痛、偏头痛和三叉神经痛等慢性疼痛，可能会导致焦虑和抑郁的发生，而抑郁症患者也普遍存在躯体疼痛，最终形成疼痛-情绪共病，且发生机制尚不明确。张智课题组运用光遗传学和病毒示踪等技术在疼痛与抑郁、焦虑两个方面的神经环路开展了一系列研究，发现杏仁核作为重要脑区参与了疼痛-情绪行为反应，其中疼痛与抑郁之间的神经环路研究包括中央杏仁核(CeA)-外侧僵核神经环路介导慢性疼痛→抑郁[2]、CeA-丘脑束旁核神经环路介导抑郁→疼痛[3]、CeA神经环路驱动抑郁→疼痛的内源镇痛系统[4]；疼痛与焦虑的神经环路机制研究包括CeA神经环路介导疼痛→焦虑[5-6]。通过上述研究发现，疼痛-情绪之间存在神经环路的交互作用，CeA可能在疼痛-情绪共病中起“桥梁”作用。这一系列的研究对探索慢性疼痛和焦虑、抑郁等情绪共病的发病机制具有重要意义，可能为药物不敏感患者提供非药物治疗方法，如经颅磁刺激缓解强迫症导致的焦虑等[7]。

1.2 应激与免疫

应激是一种机体接受外界刺激后增加活动力量从而应对紧急情况的一个过程，但过度应激会引起一系列精神情志疾病[8]。首先针对奖赏和应激之间的关系进行研究，通过光遗传学实验探索小鼠脑内室旁核CRH神经元的活动，该研究揭示了应激与奖赏整合的一个新的神经机制，室旁核CRH神经元可以被奖赏活动强烈抑制而缓解压力[9]。另一项研究聚焦于神经和免疫。神经和免疫系统如何交互作用一直是困扰人们的重大科学问题，胡霁课题组通过伪狂犬病毒逆行追踪，发现脾神经与室旁核(PVN)和CeA之间存在神经连接，进一步运用光遗传学技术开展实验发现，CeA/PVN与脾脏之间有通路连接，而应激行为范式可以同时激活这两个核团的CRH神经元。更重要的是，长期应激能够激活脾神经从而增强免疫。该研究使我们认识到淋巴细胞介导的适应性免疫应答受到中枢-外周神经环路的直接调控，以及通过行为调节免疫应答的生物学基础[10]。该研究提示了适度的应激有利于增强免疫，开辟了神经免疫学的新方向。

1.3 奖赏与药物成瘾

中脑边缘多巴胺通路是脑内奖赏系统最重要的组成部分之一。过去几十年的研究表明，该通路在奖赏搜索、强化学习、行为动机和执行控制等方面起到关键作用。刘帅课题组采用光遗传/化学遗传等技术在奖赏与动机的神经机制领域开展了相关研究工作。在荷尔蒙和摄食肽对奖赏动机的调控机制方面，阐明了胰岛素在奖赏中枢的腹侧被盖区的作用机制[11-12]；基于在胰岛素中枢奖赏机制研究中的一系列发现，将胰岛素对奖赏中枢两个脑区在细胞和行为水平上作用的差异做了详细的总结[13]；在皮质酮对奖赏搜索和焦虑样行为的调控机制研究中，发现长期给予皮质酮会导致腹侧被盖区神经元兴奋性和突触传递的下降，其调控机制是胞体周围多巴胺释放量增加并由此激活D2受体产生自抑制。在腹侧被盖区给予D2受体拮抗剂，能恢复受损的奖赏搜索动机并减少焦虑样行为。此外，该课题组在研究病理状态下奖赏动机调控的神经环路机制时发现，与腹侧被盖区环路可将饥饿信息错误编码为奖赏信息，这可能是神经性厌食症的潜在的致病机制。解码胰岛素、皮质酮在中脑边缘系统的精细调控作用，将在代谢疾病、药物滥用和摄食疾病更有效的治疗中起到至关重要的作用。

药物成瘾与人类健康密切相关，已引起社会的广泛关注。药物成瘾形式多样，如吸毒就是一种极具危害的药物成瘾，吸毒会引起认知损害与精神症状，且复吸率极高，目前尚缺乏有效干预。基于药物成瘾问题，袁逖飞课题组从药物成瘾伴随的脑功能改变和创新神经调控与干预方面做了系列研究。在药物成瘾的神经机制研究中发现，药物成瘾会导致皮层可塑性的改变，皮层可塑性的下降可能与行为调试能力异常相关[14-15]，其中GluN3A是重要的调控分子；在神经调控与干预的研究中，通过神经调控干预体系可以降低药物渴求度，削弱成瘾药物的“记忆”，如非侵入的经颅磁刺激干预降低海洛因与甲基苯丙胺成瘾者渴求度[16-20]，改善睡眠、情绪[21]，降低冲动、风险行为等[22]。这些研究成果能为药物和酒精成瘾的干预提供实验依据。

1.4 认知功能

衰老是生物体的必然生理过程，会伴随着学习记忆及认知功能的衰退。Klotho基因家族由α、β和γ-Klotho组成，是内分泌成纤维细胞的共受体生长因子[23]。α-Klotho在大鼠和小鼠体内编码1 014个氨基酸残基组成的I型跨膜蛋白，在人体内编码1 012个氨基酸残基组成的I型跨膜蛋白[24]。研究表明，α-Klotho蛋白可以增强小鼠的认知功能并延缓衰老。Thomas Behnisch课题组发现，在多个脑区中，随着年龄的增长，sKlotho的表达均有下降。在海马的DG、CA1、CA3的sKlotho的表达也随着年龄的增长而降低。这表明sKlotho可能和衰老合并的学习记忆下降有关。将人类sKlotho基因序列克隆到腺相关病毒血清型9载体，再定位注射到小鼠海马区，检测动物学习记忆及突触功能和细胞存活相关蛋白表达的变化。结果显示，Klotho过表达可以增强与突触可塑性相关的信号通路，改善动物的筑巢行为，以及辨识记忆、空间记忆和恐惧记忆，并增强海马CA1区突触传递[25]。这表明Klotho在突触可塑性相关的信号通路和衰老过程记忆行为中的调控作用。这一发现进一步阐明了衰老的机制，并为衰老相关疾病的研究提供了新靶点。

1.5 睡眠与觉醒

睡眠是生命所必需的过程，是机体复原、整合和巩固记忆的重要环节，人的生命中约三分之一的时间都在睡眠中度过。但在现代社会，长期睡眠缺乏已经成为普遍现象。因此，深入理解睡眠与觉醒的机理变得越来越重要。王烈成教授介绍了课题组最新的研究工作：采用光遗传和光电极来研究蓝斑核-下丘脑腹外侧视前区环路参与觉醒的调控。此外还详细介绍了光遗传技术在睡眠-觉醒研究领域中的应用和发展，包括光遗传学操控局部核团，探索该核团在睡眠-觉醒调控中的作用[26-27]；光遗传学操控特定神经环路研究该环路在睡眠-觉醒中的作用[28]；兴奋性和抑制性光遗传学结合在睡眠-觉醒调控研究中的应用[29]；光遗传学结合在体电生理胞外记录在睡眠-觉醒调控研究中的应用[30]。这些研究成果将为睡眠障碍的发生机理及防治提供指导。

2 神经生物学研究的新方法

为了推动神经生物学的发展，新的研究方法和创新技术应运而生。沙龙与会专家学者也针对神经生物学新的研究方法进行了深入探讨。

2.1 溶酶体膜片钳技术

仓春蕾课题组基于膜片钳等技术，对溶酶体离子通道和神经退行性疾病的关联做了相关研究。溶酶体是细胞中囊泡状的细胞器，含多种水解酶，能降解不同来源的生物大分子和损伤的细胞器，被看作细胞内“回收站”，并且参与胞内信号转导、自噬、凋亡和分泌等功能的调控。研究发现，衰老及相关神经退行性疾病常伴随多种溶酶体结构和功能的异常[31]。溶酶体功能的正常发挥依赖于v-ATPase造成的酸性环境，溶酶体pH值异常会引起溶酶体储存的钙离子/铁离子异常释放，这种异常能导致蛋白聚集、细胞器功能异常和退行性疾病。因此，v-ATPase的突变与多种神经退行性疾病相关，在老年痴呆、帕金森综合征、肌萎缩侧索硬化等多种神经退行性疾病中均发现溶酶体pH值异常[32]。TPC(two pore channel)和mTOR形成ATP敏感的钠离子通道，在细胞营养缺乏时，TPC能帮助维持溶酶体酸性环境，溶酶体pH值升高，TPC1激活，降低pH值，形成负反馈调控[33]。另外发现，溶酶体氯通道CLN7随着溶酶体pH值降低而激活，进而上调pH值；溶酶体钾通道Transmembrane protein 175(TMEM175)能调控钾离子平衡、溶酶体膜电位、pH值和自噬流，研究表明，敲除TMEM175对帕金森综合征模型有神经保护作用[34]。

2.2 体外神经网络模型构建

大脑神经元长时程增强和长时程抑制是学习记忆的基础，但并没有在源自人类干细胞的神经元中得到证实，关于人类大脑神经网络的研究，由于人脑组织难以获取，所以在实验研究上难以全面深入开展。为模拟真实人脑神经网络研究模型，寻找神经回路，董毅课题组利用人类胚胎干细胞ChR2-EYFP分化出谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸神经元，构建出了具有学习记忆功能的人类体外神经网络，并通过电生理、钙离子成像和实时定量PCR等手段，证实该模型的可靠性，为今后人脑功能和神经类疾病的研究提供模型基础，同时为类脑人工智能的发展提供创新性线索[35]。

3 神经生物学的应用转化

随着神经生物学的迅速发展，新的理论和研究成果不断涌现，许多疾病的本质得以重新认识，疾病诊断的准确性得以提高，给疾病的治疗带来新的希望。

3.1 自闭症

自闭症是一种影响儿童发育的障碍类疾病。自闭症患者拥有不同的感知方式，这种方式常使患者忽略社交或者没有足够能力去处理交际问题[36]。张晨课题组以Fmr1-/y小鼠作为自闭症研究的动物模型，通过双光子和钙成像的方法验证了不同强度的光刺激后，自闭症小鼠与野生型小鼠反应的异常性，并发现负责接受处理视觉信号的初级视皮层V1区神经元微环路异常在自闭症光刺激感觉异常中扮演重要的作用。基于这一发现，课题组又验证了“rescue-in-adult”方法可以纠正Fmr1-/y小鼠这种感觉异常。这一系列的研究揭示了自闭症发生的相关机制，并为自闭症的治疗提供了新的思路[37]。

3.2 抑郁症

抑郁症现已成为中国疾病负担第二的重大脑病，而传统药物如5-HT再摄取抑制剂起效缓慢，且仅对一部分患者的症状有持久改善作用。针对抑郁的新治疗靶点的探索成为一个重大问题[38]，近年来研究发现，氯胺酮可以快速缓解抑郁症状[39]，但可能会产生严重的副作用，如成瘾性。陈刚课题组从众多抗抑郁药物中筛选出有快速治疗抑郁症效果的越鞠丸[40]，并通过转录组学研究发现其抗抑郁作用可能与海马中一种脑肠肽垂体腺苷酸环化酶激活肽(PACAP)增加有关。PACAP是一种与精神疾病如创伤后应激障碍(PTSD)、焦虑及抑郁症相关的脑肠肽，越鞠丸能够短时间内促进PACAP的表达和下游相关蛋白的表达[41]。运用光遗传学技术激活海马PACAP神经元，能够产生较为持久的抗抑郁作用，而敲低或通过光遗传抑制海马PACAP能够逆转越鞠丸的抗抑郁作用，并引起抑郁样行为。在临床研究中也发现，抑郁患者血清中PACAP表达下降，这都证实了PACAP在快速抗抑郁中的作用。这是中药复方反转化的一个应用研究，由发现的中药疗效出发，结合光遗传学技术，进而探索和验证发挥该疗效的机制，为中药复方应用和开发研究提供新思路。

3.3 针灸基础研究与转化

现代针灸的研究基于中医临床，并与神经生物学关联密切，在中医针灸研究领域，应用神经生物学手段能够揭示部分疾病的针灸治疗相关的神经机制。荣培晶课题组在针灸经络与脑相关调控效应研究方面，把针灸效应和脑科学技术研究结合起来，进一步探索针灸对脑的神经调控效应机制。在其研究工作中，重点阐释在耳部经络穴位和迷走神经相关的研究，提出“穴位-外周神经-脑网络-机体功能整体调节”的新思路，例如：耳甲电针有效缓解抑郁症状研究，以及耳甲电针治疗功能性消化不良的临床研究等，并结合当前研究的前沿和热点问题指出，未来针灸临床和神经生物学有机结合需要更多技术革新和学科交叉，脑科学研究必将助力针灸发展[42-44]。无独有偶，曾芳课题组基于神经影像技术的针刺神经调控研究将针灸与神经生物学进行了交叉融合。在基于神经影像技术的针刺治疗功能性消化不良的中枢机制探讨方面做了很多研究工作。在针刺效应中枢机制研究中，曾芳教授团队主要研究的内容包括针刺穴位效应特异性、针刺效应影响因素和针刺治疗机理等几个方面，神经影像技术是该研究中可靠的技术手段，尤其在神经系统疾病和疼痛类疾病针刺治疗机理的研究。近年来，曾芳教授以功能性消化不良为研究切入点，阐释功能性消化不良相关脑区的改变，进而探讨针刺治疗功能性消化不良中枢调控机制[45-47]。运用神经影像技术对针刺治疗疾病机制的研究，为今后针刺课题探讨提供了新的思路。

周逸平研究员指出，传统的就是世界的。目前，国际上已经有184个国家应用针灸，20多个国家对中医药针灸进行立法。我们应该加强中医药的研究。传统意义上的生命科学都是研究躯体、内脏，这方面的研究仅有几百年的历史，而经脉脏腑的研究已经有两千多年的历史，从经脉脏腑理论到躯体内脏，是传统中医到现代医学的一个重大迈进。因此，周逸平研究员认为：经脉脏腑是经络理论的核心，而经脉脏腑与脑的联系是中医和现代神经生物学结合点和突破口，他呼吁生命科学领域广大年轻的科研工作者应更多地关注中医、针灸和经络研究，运用现代生命科学的方法来探讨脏腑与大脑神经系统的联系以及脏腑之间的联系。例如：目前对痛觉的研究多停留在体表痛，可以运用中医脏腑理论中脏腑之间的联系来探索内脏痛的改善方法，这对缓解癌症患者的内脏痛有重要意义。周逸平研究员强调要进一步利用中医的优势，将现代生物学与中医相联系，这是中医现代应用的新前景，也是未来神经生物学发展的大势所趋。

4 展望

光遗传学技术使神经科学研究中复杂抽象的生物学机制能够变得更加直观。因此，光遗传学技术也被誉为21世纪神经生物学最有影响力的技术方法之一。光遗传学在神经生物学领域的应用，以及在今后科研工作中的学科交叉融合将是大势所趋，将现代科学技术应用在神经科学和各个领域的发展中，对现代生命科学的腾飞有重大意义。