Nature：功能相反的神经肽和神经递质在环路中如何协调发挥作用？

枢神经系统中的许多细胞共同释放神经肽和神经递质，对细胞生理学具有相反的作用。但是，这些相反的信号是如何协调环路功能的尚不清楚。这种相对共释放的一个典型例子便是外侧下丘脑（LH）的神经元释放刺激性神经降压素（Nts）和抑制性GABA。不过，也因为无法以细胞和环路特异性的方式选择性地分离这些信号通路，因此这一问题一直难以解决。

近日，美国华盛顿大学药理学系Larry S. Zweifel教授团队在Nature上发表研究，该团队开发了一种基于基因的解剖学中断程序，该程序利用不同的DNA重组酶在两个不同脑区的不同细胞类型中同时独立促进神经递质和神经肽相关基因的CRISPR–Cas9突变发生（mutagenesis）。

LH Nts神经元与VTA的连接

作者首先证明LH中的大多数Nts神经元是GABA能神经元[Fig.1a-c]。然后，通过双基因鼠结合电生理实验，发现对VTA中LH Nts输入的光激活在VTA-GABA神经元中产生外向抑制电流，而与VTA-DA神经元的抑制性连接很小[Fig.1e,f]。而在VTA中，Ntsr1几乎只在多巴胺能神经元中表达[Fig.1g,h]。

Figure 1 VTA中LH Nts神经元的连接和Ntsr1信号传导

LH-Nts和Ntsr1信号对VTA DA钙信号的不同调节

接下来，作者设计了一种策略，能够通过Cre依赖性CRISPR-SaCas9突变Vgat来失活LH Nts神经元中的GABA释放，同时通过Flp依赖性突变Ntsr1来失活VTA-DA神经元中的Nts信号传导。检测了VTA中LH Nts输入的激活是否以GABA和Ntsr1依赖的方式增加VTA DA神经元的钙信号。

结果显示，VTA-DA神经元中Ntsr1的失活或LH Nts神经元中Vgat的失活各自降低了诱发的钙信号，但具有不同的动力学和频率依赖性。靶向Vgat在低频和刺激期内具有最显著的效果，而靶向Ntsr1强烈降低了刺激后的钙信号，尤其是在高频时[Fig.2e-g]。

Figure 2 VTA中LH-Nts诱发的钙信号由GABA释放和Ntsr1信号调节

LH Nts神经元在奖赏获取过程中激活VTA-DA神经元

接下来，作者检测了该回路的神经递质和神经肽肽如何在强化学习过程中促进多巴胺神经元的激活。记录了在强化学习训练过程中，CRISPR靶向的LH-Nts Vgat、VTA-DA Ntsr1或两者兼备的情况下，VTA DA神经元的钙信号。结果显示，与对照组相比，Vgat和Ntsr1的联合CRISPR靶向降低了VTA DA神经元钙信号的峰值，并增加了衰减率[Fig.3g-i]。另外，注射sgVgat和sgNtsr1病毒后的小鼠，5周后体重显著减轻，表明该回路中的Nts和GABA信号在体重调节中的重要作用。

Figure 3 LH Nts神经元在奖赏获取过程中有助于VTA-DA神经元的激活

LH Nts和GABA共同释放产生的协同作用

为了更加直观的证明VTA中LH-Nts末端的激活以Nts和GABA依赖的方式促进行为强化。研究人员采用CRISPR靶向的失活方法，在LH-Nts中表达Chrimson，并进行实时位置偏好（RTPP）行为检测。LH-Nts输入的光刺激促进了对光匹配区域的偏好，并且Ntsr1和Vgat的单独失活都不影响这种偏好；然而，两个基因的同时失活阻断了这种行为反应[Fig.4a,b]。通过失活LH Nts神经元中的Nts和Vgat基因，直接证明了LH Nts神经元的Nts和GABA共同释放介导了这种行为效应[Fig.4e-h]。

Figure 4 LH Nts和GABA共同释放在行为强化中的协同作用

结 论

对细胞生理学具有表面相反作用（去极化与超极化）的神经递质和神经肽的共同释放，通过在不同的时间尺度上作用于不同的细胞类型来协同工作以促进环路节点的激活。这些结果提供了从LH Nts神经元共同释放的Nts和GABA如何通过向VTA的投射来促进行为强化的机制。

此外，本实验中所采用的体内分离和操纵细胞和回路中不同信号成分的实验方法，在未来可以很容易地适应于研究VTA的其他肽能输入，以及整个大脑的肽能回路，以解决这些基本问题。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06246-7

参考文献

Soden, Marta E et al. “Circuit coordination of opposing neuropeptide and neurotransmitter signals.” Nature, 10.1038/s41586-023-06246-7. 28 Jun. 2023, doi:10.1038/s41586-023-06246-7