藥物使用障礙（SUDs）與晝夜節(jié)律紊亂之間存在密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究表明生物節(jié)律在調(diào)節(jié)動(dòng)物獎(jiǎng)賞行為中發(fā)揮不可或缺的作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞同樣在晝夜節(jié)律中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子效應(yīng)。然而，目前尚未有研究確定星形膠質(zhì)細(xì)胞晝夜節(jié)律功能在伏隔核（NAc）中的作用，也沒(méi)有研究證明星形膠質(zhì)細(xì)胞節(jié)律功能對(duì)獎(jiǎng)賞相關(guān)行為的重要性。匹茲堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心Colleen A. McClung研究團(tuán)隊(duì)在Biological Psychiatry發(fā)表了名為“Astrocyte Molecular Clock Function in the Nucleus Accumbens Is Important for Reward-Related Behavior”的研究論文，首次證明了星形膠質(zhì)細(xì)胞晝夜節(jié)律分子鐘功能在調(diào)節(jié)NAc和獎(jiǎng)賞相關(guān)行為中的新作用。
Figure.1 Aldh1l1-eGFP/Rpl10a mice allow for isolation of astrocyte-specifific ribo-associated mRNA
首先實(shí)驗(yàn)人員借助Aldh1l1-eGFP/Rpl10a這一特殊小鼠模型來(lái)研究NAc中星形膠質(zhì)細(xì)胞的節(jié)律性，該模型小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞在RpL10a核糖體亞基上特異性表達(dá)eGFP，并可通過(guò)免疫共沉淀分離星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性核糖體相關(guān)mRNA。實(shí)驗(yàn)人員每天從雄性和雌性小鼠各采集6次NAc組織分離星形膠質(zhì)細(xì)胞中mRNA，經(jīng)基因測(cè)序后，富集熱圖和免疫熒光顯示可知星形膠質(zhì)細(xì)胞富集呈現(xiàn)高度特異性，IPA和metascape分析同樣表明與星膠相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程和經(jīng)典途徑在前200個(gè)表達(dá)基因中富集。
Figure 2. NAc astrocytes are highly rhythmic at the transcriptome level
從識(shí)別的全部基因中，約43.3%具有顯著的晝夜節(jié)律特性。大多數(shù)節(jié)律相關(guān)基因表達(dá)在14-22點(diǎn)之間達(dá)到峰值，這與小鼠的生理活躍期相一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知，前20個(gè)晝夜節(jié)律相關(guān)基因是已知的核心時(shí)鐘基因。同時(shí)，晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)相關(guān)基因和糖皮質(zhì)激素受體信號(hào)相關(guān)基因表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。
Figure 3. Loss of BMAL1 function in NAc astrocytes increases locomotor response to novelty in mice during the day.
接下來(lái)，為探究NAc星形膠質(zhì)細(xì)胞在晝夜節(jié)律中對(duì)獎(jiǎng)賞的功能的影響，研究人員在Bmal1f/f基因鼠NAc腦區(qū)中特異性敲除星膠中的Bmal1，Bmal1的下調(diào)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞失去分子鐘功能和節(jié)律性。研究人員使用LRN范式，分別檢測(cè)了上午4-6點(diǎn)和下午16-18點(diǎn)各兩小時(shí)的運(yùn)動(dòng)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，特異性敲除Bmal1后，并未對(duì)小鼠運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生影響，而小鼠在白天表現(xiàn)出更高的對(duì)新奇事物的反應(yīng)，而在夜間并未出現(xiàn)顯著差異，提示NAc星形膠質(zhì)細(xì)胞中Bmal1在參與晝夜節(jié)律下小鼠對(duì)獎(jiǎng)賞功能的反應(yīng)性。
Figure 4. Loss of BMAL1 function in NAc astrocytes increases exploratory drive in mice during the day. Both BMFL mice expressing NAc-specifific GFAP-Cre or eGFP control were run through a panel of behavioral assays testing exploratory drive.
同時(shí)，研究人員也通過(guò)曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、明暗箱實(shí)驗(yàn)、高架十字迷宮、陌生環(huán)境攝食等行為學(xué)范式檢測(cè)了動(dòng)物在特異性敲除Bmal1后晝夜變化下探索性行為和焦慮樣行為的變化，結(jié)果均表明在特異性敲除Bmal1后，小鼠在白天表現(xiàn)出更高的探索性行為和焦慮樣行為，與之相對(duì)應(yīng)的是小鼠在夜晚則呈現(xiàn)較低的探索性行為和焦慮樣行為。且此表現(xiàn)可排除由運(yùn)動(dòng)功能障礙或進(jìn)食抑制所引發(fā)。提示NAc星形膠質(zhì)細(xì)胞中Bmal1同樣參與晝夜節(jié)律下小鼠對(duì)探索性行為與焦慮樣行為的反應(yīng)性。
Figure 5. Loss of BMAL1 function in NAc astrocytes increases operant food self-administration and motivation during the day. To assess natural reward and reward motivation, both BMFL mice expressing NAc-specifific GFAP-Cre or eGFP control were trained to self-administer food pellets in an operant food self-administration task both during the day and at night.
此外，研究人員還通過(guò)大小鼠自身給藥系統(tǒng)研究了小鼠對(duì)獎(jiǎng)賞的特異性反應(yīng)，首先進(jìn)行固定計(jì)劃的小鼠自身獎(jiǎng)賞訓(xùn)練，即小鼠每1次主動(dòng)按壓杠桿即可獲得1粒食物作為物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)。在FR1階段中，各組小鼠對(duì)獎(jiǎng)賞性行為反應(yīng)并未表現(xiàn)出顯著性差異，而進(jìn)行不同性別間比較時(shí)，則可見(jiàn)無(wú)論晝夜變化，雄性小鼠相較雌性小鼠總體表現(xiàn)出了對(duì)獎(jiǎng)賞性行為更高的反應(yīng)。而隨著自身獎(jiǎng)賞的周期的不斷推進(jìn)，雄性GFAP-cre小鼠逐漸表現(xiàn)出在白天強(qiáng)于夜晚的獎(jiǎng)賞性行為反應(yīng)性。
Figure 6. Loss of BMAL1 function in NAc astrocytes disrupts NAc metabolic homeostasis. NAc tissue from both BMFL mice expressing NAc-specifific GFAP-Cre or eGFP control was processed through a range of molecular assays assessing factors relevant for regulation of cellular metabolic state.
鑒于星形膠質(zhì)細(xì)胞在細(xì)胞代謝中發(fā)揮重要作用，于是研究人員利用RT-qPCR檢測(cè)了GFAP-cre和eGFP小鼠在白天相關(guān)基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在GFAP-cre小鼠中Gfap和Nrf2表達(dá)顯著上調(diào)，以上兩類蛋白分別與星形膠質(zhì)細(xì)胞膠活性和氧化應(yīng)激相關(guān)，而Gclc、Pgc1α、Ldha、Mct1和Mct2則顯著下調(diào)，以上蛋白分別與谷胱甘肽、線粒體功能和乳酸合成有關(guān)。同樣地，GFP-cre小鼠白天NAc中乳酸和谷胱甘肽濃度均顯著下降。
Figure 7. Loss of BMAL1 function in the NAc alters excitatory synaptic transmission onto neigh boring MSNs during the day. Slice electrophysiology was used to assess the effects of loss of BMAL1 function in NAc astrocytes on glutamatergic signaling in neighboring MSNs during the light and dark phases.
Figure 8. Loss of BMAL1 function in NAc astrocytes upregulates NAc glutamate-related gene expression during the day. NAc tissue from BMFL mice expressing NAc-specifific GFAP-Cre or eGFP control was processed through RT-qPCR assessing daytime whole NAc gene expression of AMPA receptor subunits, NMDA receptor subunits, mGluRs, and astrocyte-specifific glutamate transporters (ZT 4–6).
最后，作者特異性敲除NAc分子鐘基因，探究其對(duì)MSNs突觸傳遞的影響。利用全細(xì)胞膜片鉗分別記錄GFAP-Cre 和eGFP 小鼠 NAc中MSNs的功能活動(dòng)。在白天，GFAP-cre小鼠誘發(fā)的AMPA/NMDA 興奮性突觸后電流顯著降低，同時(shí)伴隨著AMPAR 抑制性突觸后電流衰變?cè)黾樱崾綧SNs突觸后谷氨酸受體發(fā)生變化，尤其是AMPA受體改變。說(shuō)明谷氨酸能突觸前釋放基本不變，興奮性突觸后電流清除率也相當(dāng)。而在夜間則未檢測(cè)到同類差異。與腦片膜片鉗結(jié)果一致的是，白天，GFAP-cre小鼠NAc中谷氨酸相關(guān)基因表達(dá)同樣顯著上調(diào)，且以AMPA受體亞基為主。
Colleen A. McClung研究團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)NAc中的星形膠質(zhì)細(xì)胞具有強(qiáng)烈的分子節(jié)律，并且這種晝夜節(jié)律對(duì)整個(gè)NAc功能的發(fā)揮起到重要作用。這些新發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了NAc星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能意義，并首次證明該類型細(xì)胞所調(diào)控的晝夜節(jié)律對(duì)NAc功能和NAc調(diào)節(jié)的行為中具有重要作用，為進(jìn)一步研究NAc在情緒調(diào)節(jié)與晝夜節(jié)律中的作用提示了新的方向與路徑。
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35461698/
（山東中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥與腦科學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) 張明寬 供稿）
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