神奇的5-HT影响学习记忆的新机制
原创 小欣博士 脑声常谈
学习记忆的衰退是很多神经退行性疾病，如阿尔茨海默症的典型症状，其中，五羟色胺（5-HT）是大脑中的一种重要神经递质，许多研究揭示了5-HT在学习记忆中的作用，但其潜在的机制并不清楚。因此，研究5-HT及其受体的功能与认知记忆的关系可能为研发潜在的神经退行性疾病的治疗策略提供启示。
在之前的一项工作中，贝勒医学院徐勇教授团队发现了一种罕见的5-HT2C受体（由基因HTR-2C基因编码）的loss-of-function突变会导致肥胖[1]，且临床上这些患者出现了不同程度的认知障碍。那5-HT及其受体是如何影响认知与记忆的呢？近日，贝勒医学院徐勇团队于Science Advances发表文章“Neural circuits expressing the serotonin 2C receptor regulate memory in mice and humans”，揭示了5-HT影响记忆的心得神经机制，并发现一种5HT2C受体激动剂，减肥药氯卡色林，可能有助于减轻阿尔茨海默症导致的认知损伤。
首先，作者构建了携带临床上导致认知障碍的HTR-2C突变（F327L）的小鼠模型，利用辐射臂水迷宫和恐惧记忆范式进行检测，均发现突变鼠行为变差，说明这种LOF的5HT2C受体突变确实一定程度上影响了记忆。在神经层面上，5-HT2C受体的激动剂氯卡色林能够去极化海马的vCA1神经元，但在突变体中，这种效应减少。之后作者又进行了长时程增强（long term potentiation, LTP）的测量，结果发现突变体LTP减弱。之前研究表明5-HT2C受体在形成LTP过程中和NMDA受体亚基GluN2A形成复合物，因此作者分别在培养细胞和突变鼠脑组织体系中进行coIP实验，均发现了该突变影响了5HT2C受体和NMDA受体间的蛋白相互作用。电生理实验表明突变体的NMDA电流也有明显的下降，在体钙成像光纤记录也表明，突变体对于非条件刺激的响应变弱，说明突变鼠海马的可塑性受到了损伤。
上述的结果表明5HT受体的突变导致的认知损伤。那么直接敲除该受体会不会发生上述情况呢？作者在vCA1脑区注射了HTR2C的KO病毒，与fig1相似，也发现了该脑区突触可塑性和动物认知功能的下降，包括对氯卡色林的反应性降低，LTP减弱，NMDA电流减小和辐射臂水迷宫表现下降等。
为了进一步解析该现象的环路机制，作者利用逆向和顺向病毒示踪的方法发现中脑的相关脑区，如中缝背核（DrN）是海马的vCA1的5-HT能神经元投射的来源。并且在中脑注射了光遗传元件ChR2，在光遗传激活中脑的情况下记录海马的vCA1发现该脑区细胞放电的增强，加入5-HT受体抑制剂SB242084后这种效应消失。上述结果说明中脑的5-HT神经元直接投射并能激活vCA1的神经元。
那么是否是中脑-CA1这条通路在5-HT敲低导致认知损伤的过程中起到重要作用呢？作者在Tph2-creER小鼠vCA1注射逆向的DIO-hM4Di，其中Tph2是一种5-HT合成酶，表达在DRN的5-H神经元中，因此可以特异性的抑制投向vCA1的5-HT神经元，结果发现利用RAWM或恐惧记忆范式动物的表现都有所下降，说明认知能力损伤。之后作者又在Tph2flox/flox小鼠的vCA1注射表达cre的逆向AAV病毒，以特异性敲除投向CA1的这群5-HT神经元的5-HT合成酶，结果发现突触可塑性及动物的认知都有所下降，而氯卡色林能逆转这种影响。
那么在阿尔茨海默症导致的认知障碍中，5-HT通路的激活能不能改善认知损伤的症状呢？作者利用常见的阿尔茨海默模型鼠APPNL-G-F，发现模型鼠中5-HT投射纤维密度明显减少，同样地，测量LTP，NMDA电流，RAWM和恐惧记忆的行为学结果都表明阿尔茨海默鼠的认知能力和海马可塑性受到了损伤，而应用氯卡色林可以改善认知行为，并增强海马的LTP。上述工作为改善阿尔茨海默症带来的认知损伤提供了新的治疗思路。
总结
本文作者从临床的发现出发，研究5-HT受体及中脑-海马的5-HT能通路在维持海马可塑性和认知能力中的作用。更为重要的是，作者发现了利用氯卡色林激活5-HT受体能够改善阿尔茨海默症模型鼠的认知损伤。这项工作为阿尔茨海默症认知损伤的治疗提供了新的思路，具有重要的临床意义。
参考文献：
[1] He, Yang et al. “Human loss-of-function variants in the serotonin 2C receptor associated with obesity and maladaptive behavior.” Nature medicine vol. 28,12 (2022): 2537-2546. doi:10.1038/s41591-022-02106-5
