1、 558 CHINESE JOURNAL OF ANATOMY Vol.45 No.6 2022 解剖学杂志 2022 年第 45 卷第 6 期doi：10.3969/j.issn.1001-1633.2022.06.014综 述*山西省应用基础研究项目（201801D211010）第 1 作者 E-mail： 通信作者，E-mail：收稿日期：2022-04-06；修回日期：2022-09-15化学遗传学技术在行为神经科学中应用的研究进展*王一卓1 汤家明2 蔚洪恩1，3（1 山西医科大学第五临床医学院神经内科，太原 030012；2 山西中医药大学 第三临床学院，太原 030024；3 脑
2、疾病防治山西省重点实验室，太原 030012）摘要 化学遗传学技术通过全身注射或局部输注激活配体，对细胞群和神经环路的活性进行可逆性远程控制。行为神经科学研究常借助化学遗传学技术在临床前模型中特异性地控制神经元活动，能够对特定环路和神经元亚群产生更深层次的认识。现对化学遗传学技术的分子细胞机制及其在行为神经科学领域应用取得的进展进行综述，探讨与化学遗传学技术相关的潜在问题以及未来研究方向。关键词 化学遗传学技术；行为神经科学；重复刻板行为；抑郁症样行为；奖赏效应；联想学习行为Research progress in the application of chemogenetics in beh
3、avioral neuroscience*Wang Yizhuo1，Tang Jiaming2，Wei Hongen1，3（1.Department of Neurology，The Fifth Clinical Medical College of Shanxi Medical University，Taiyuan 030012；2.School of the Third Clinic，Shanxi University of Chinese Medicine，Taiyuan 030024；3.Shanxi Key Laboratory of Brain Disease Control，Ta
4、iyuan 030012，China）Abstract By activating ligands through systemic or local injection，chemogenetics technique could be applied to reversibly control the activity of cell populations and neural circuits.In behavioral neuroscience research，it is also a popular method to specifically control the neuron
5、al activities in preclinical models，leading to deeper insights into specific circuits and neuronal subsets.In this paper，the molecular cellular mechanisms in chemogenetics techniques were reviewed，and the progress in their application in behavioral neuroscience research was summarized.Finally，the po
6、tential issues associated with chemogenetics techniques and their directions in future research were discussed.Key words chemogenetics；behavior neuroscience；repetitive behavior；depressive-like behavior；reward response；associative learning behavior近年来，现代行为神经科学领域出现的突破性技术已经成为行为神经科学研究中非常重要的实验技术工具。随着化学遗传
7、学技术及光遗传学技术的引入、应用与完善，高解剖精度的监测和干预神经调节过程成为可能，研究行为和认知等复杂问题发生机制的思路也变得更加清晰1。化学遗传学技术的核心是特定药物激活特定人工设计的受体（designer receptors exclusively activated by designer drugs，DREADDs），从而对细胞群和神经环路的活性进行可逆性远程控制2-3。与光遗传学相比，不依赖导入光纤控制激光的非侵袭性的优势，使得DREADDs技术在临床疾病治疗中更具有前景4。本综述通过梳理国内外关于DREADDs技术在行为神经科学实际应用的最新进展，在揭示疾病复杂性的同时，分析总结
8、了这一技术在解析复杂行为神经环路的 优势。1 DREADDs技术的使用通过注射药物激活化学遗传学受体来选择性调节神经元的活动，该受体要成为有效的行为神经科学工具，必须对配体有高度亲和力，且相应配体对其它内源性受体没有药理作用5。1.1 早期化学遗传学受体1.1 早期化学遗传学受体G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）是已知最大的一类细胞表面受体，专门对合成小分子配体（例如气味剂、光子、生物胺、脂类、肽激素等）而非天然配体产生反应，是当代DREADDs技术的前沿。Strader等6 通过取代单个氨基酸残基，使-肾上腺素能受体发生突变，形成GPCR，由
9、含有儿茶酚胺的酯类和酮类化合物激活后，改变内源性受体结合的特异性。随后Coward等7 基于阿片受体开发出2个衍生物，分别为Ro1和Ro2，并将这些受体称为RASSLs（仅由合成配体激活的受体）。这2种受体的优势是降低了与许多内源性配体的结合亲和力和信号转导，同时维持了对合成小分子激动剂的结合能力，但RASSLs的合成配体通常对天然受体也具有高亲和力，因而限制了它们 559 在体内的适用性。1.2 定向分子进化1.2 定向分子进化Armbruster等2利用定向分子进化技术，对酵母的人毒蕈碱型乙酰胆碱受体多轮随机诱变后，衍生出2种DREADDs：激活神经元放电的hM3Dq和抑制神经元放电hM4
10、Di，这些DREADDs对内源性配体乙酰胆碱几乎没有亲和力，但可以被生物惰性配体氯氮平的氮氧化物（clozapine-n-oxide，CNO）高选择性地激活。尤为重要的是，CNO对所有中枢神经系统靶点缺乏亲和力2，8，同时对乙酰胆碱受体具有高亲和性、稳定的药代动力学、良好的血脑屏障穿透性等特性9。因此，该DREADDs为最小侵入性远程修饰神经元活性的行为神经科学研究提供平台。1.3 受体的类型1.3 受体的类型目前已研发出基于人类毒蕈碱的不同DREADDs可以双向调控神经元活性2-3，其主要的3种信号途径分别是Gq（hM3Dq）、Gi（hM4Di）和Gs（rM3Ds）。Gq通过刺激磷脂酶C，使
11、细胞内的钙离子大量释放引起细胞兴奋性增高，神经元的放电增加10；Gi通过抑制腺苷酸环化酶的产生，引起细胞超极化，减少神经元的放电11；Gs通过刺激腺苷酸环化酶的信号通路，引起细胞兴奋性增高10，但Gs信号通路能在一些细胞中表现出一定的活性，限制了该受体的使用，故该类药物使用较少。表达DREADDs的神经元电生理记录显示，腹腔注射CNO后510 min开始初步影响神经元活动，30 min后达到峰值，并在随后的2 h内下降12。虽然CNO的血浆水平迅速下降，但行为影响可持续9 h3。该时效特点可能与啮齿类动物体内给药后CNO转化为氯氮平有关13-14。同时研究证明，透过血脑屏障的为氯氮平，而不是C
12、NO，并且氯氮平激活DREADDs的亲和力及效力高于CNO14。然而，人类毒蕈碱的DREADDs中兴奋性受体和抑制性受体均为同一配体激活，因此在同一动物体内选择性双向调控神经元活性的研究应用中受到了限制。近年来，通过开发一种由配体salvinorin B（SalB）激活的阿片受体来源（-opioid-derived）（KORD）来解决这一局限性15。SalB与CNO相比作用更快，全身给药数分钟后影响神经元活动，并持续1 h。SalB在神经元中激活病毒表达的KORD可显著减弱神经元活性并引起行为的改变。因此在同一神经元群体中同时表达hM3Dq和KORD的表达是可能的，故可以达到双重调控目的。Ma
13、rchant等16研究已经证明，SalB完全抑制了在中脑腹侧被盖区/黑质表达KORD的多巴胺神经元的兴奋性，减少了运动行为（图1）。2 DREADDs技术在行为神经科学研究的应用DREADDs技术与光遗传学技术两者的用途均是选择性激活或抑制某一目标神经元的活动，但两者在受体被激活的途径上又存在差异。DREADDs技术在行为神经科学研究领域的应用有如下优势：DREADDs技术不需要植入光纤，可对脑组织的损害降至最低，同时腹腔注射设计配体后，可逆性激活或抑制转染神经元，从而控制多个大脑区域；DREADDs技术具有可重复性特征，改善了传统方法中多次脑立体定位注射药物对目标脑区产生损伤的不足，适用于在
14、数天内反复且短暂操纵大脑区域的研究；相比光遗传学技术对装置的依赖，DREADDs技术经济且高效，使用的CNO对配体具有高度亲和性，且其通过口服或腹腔注射等给药途径使得DREADDs技术更加简便可行；DREADDs技术仅干预神经元群体从而实现高效的调控，具有相对无创、选择性、可逆性和副作用少的优点，更有利于行为障碍疾病的治疗1。近年来应用DREADDs技术进行行为研究的增多，推进了人们对于各种行为的全脑神经网络和功能连接的理解。最近DREADDs技术应用的模型已经从啮齿动物扩展到非人灵长类动物，Eldridge等17为了研究眶额叶皮质（orbitofrontal cortex，OFC）与嗅皮质（
15、rhinal cortex，Rh）之间的相互作用是否影响奖励行为，通过DREADDs技术可逆性中断OFC-Rh区域之间的关联，从而证明OFC-Rh区域是猴产生刺激-奖励关联行为的必要条件。在本综述中，笔者总结了DREADDs技术在高级认知功能和情感行为研究中的应用，包括重复刻板行为、抑郁症样行为、奖赏效应和联想学习行为。2.1 重复刻板行为 2.1 重复刻板行为 孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）是一种早期出现的社交沟通障碍和重复刻板的感觉-运动行为的神经发育障碍性疾病18。在多种动物模型神经发育障碍中，重复刻板行为是ASD的一大核心临床症状，包括自我修
16、饰、跳跃、盘旋和掩埋大理石等。多巴胺（dopamine，DA）是一种重要的神经递质，该递质可调节运动、奖励动机和内分泌功能19。经典的行为药理学表明，多巴胺活性与重复刻板行为密切相关20。由于DA系统的复杂性和异质性，目前对DA功能仍知之甚少，因此可运用DREADDs技术解析DA调节神经环路的分子和细胞机制，进而揭示重复刻板行为的中枢神经系统的病理生理机制。多个假说提出，腹侧被盖区与黑质中的多巴胺神经元参与调控ASD的行为改变，通过在整个大脑中形成广泛的神经元连接，调节大量的突触后神经元进而影响行为21。其中黑质神经元投射到背侧纹状体，形成黑质纹状体环路（nigrostriatal system，NS）。有大量研究表明NS控制着运动的失活，并参与ASD小鼠重复刻板行为22。Wang等23 通过构建Shank3B-KO小鼠自闭症模型，研究了Shank3B-KO小鼠纹状体中D1直接途径和D2间接途径中型多棘神经元的数量改变与重复刻板行为之间的关系（图2），运用DREADDs技术予以hM3Dq序列病毒激活背侧纹状体D2受体后，显著减少了自我理毛行为，同时增强D1受体活性不影响自我理毛行为。因
