Mol Psychiatry | 浙大團隊揭示腸道菌群通過調節VTA-mPFC通路的突觸可塑性和多巴胺傳遞，參與雙相抑鬱病理

雙相情感障礙（bd）是一種以躁狂/輕躁狂與抑鬱反覆發作為特徵的重性精神障礙，全球患病率約2%，臨床表現複雜且誤診率高。已有研究表明，內側前額葉皮層（mpfc）的突觸可塑性改變及神經遞質紊亂參與bd發病，但其機制尚未闡明。近年來，腸道菌群被視為腸-腦軸調控的關鍵環節，其失調與精神疾病密切相關，提示菌群可能通過調控神經可塑性及遞質系統影響bd的行為表型。

近期，浙江大學醫學院附屬第一醫院精神衛生中心胡少華教授、來建波特聘研究員，聯合浙江大學腦科學與腦醫學學院，浙江大學極端光學技術與儀器全國重點實驗室及良渚實驗室龔薇教授、斯科教授團隊在molecular psychiatry雜誌上發表了題為“gut microbiota modulates synaptic plasticity, connectivity, and dopamine transmission in the vta-mpfc pathway in bipolar depression”的研究文章。該研究揭示了bd患者腸道菌群通過削弱vta-mpfc多巴胺能通路的結構連接與功能響應，損害mpfc突觸可塑性，進而誘發抑鬱樣行為，為理解bd的腸-腦軸機制提供了新的實驗依據。

為明確雙相情感障礙抑鬱期患者腸道微生物群能否誘導小鼠出現雙相抑鬱樣行為，研究對小鼠進行灌胃糞便微生物群移植（fmt），並在24小時內收集糞便樣本、開展行為學測試（圖1a）。實驗中聯合抗生素使小鼠體重略有下降，且bd組與con組小鼠體重無統計學差異。行為學測試結果顯示，與con組相比，bd組小鼠在曠場試驗中的總移動距離、中央區域移動距離、總穿梭次數、中央區域穿梭次數及停留時間均顯著減少（圖1b、c），強迫游泳試驗中不動時間顯著增加，呈現絕望樣行為（圖1d），懸尾試驗中不動時間無明顯增長（圖1e），蔗糖偏好試驗中總液體消耗量無差異但蔗糖偏好降低，提示存在快感缺失（圖1f）。綜上，移植雙相情感障礙患者糞便微生物群可在受體小鼠中誘導出雙相抑鬱的核心特徵。進一步實驗證實，雙相抑鬱樣小鼠模型對鋰鹽（心境穩定劑）治療有積極反應，而對氟西汀（經典抗抑鬱葯）無反應。這種藥物敏感性模式與臨床雙相抑鬱患者的特點一致，從而驗證了該模型的表面效度。

研究首先通過抗生素處理（abx）有效清除了受體小鼠的內源性菌群，隨後對小鼠進行了雙相障礙患者或健康供體的fmt。16s rrna 測序顯示，兩組小鼠腸道菌群結構差異顯著：α 多樣性分析中 ，bd 組 chao1、simpson 指數更高（圖1g-h），shannon 指數和物種豐富度無差異；pcoa 分析表明兩組菌群群落明顯分離（圖1i）；lefse 分析發現 bd 組富集 6 種炎症相關菌屬，部分有益菌屬（如檸檬酸桿菌屬、腸桿菌屬）相對減少（圖1l）。進一步分析表明，bd小鼠的菌群特徵與人類bd患者的菌群高度重疊，共 259 個細菌物種（圖1j、k）。綜上，fmt有效構建了具有bd患者菌群特徵的小鼠模型。

圖1 bd患者腸道微生物群定植改變小鼠行為並實現微生物群人源化

為探究微生物-腸-腦軸如何調控雙相抑鬱樣行為，研究聚焦於情緒調節關鍵腦區——mpfc。rna測序顯示，bd小鼠mpfc中存在202個基因上調和64個基因下調，且兩組樣本聚類明顯分離（圖2a-c）。go富集顯示下調基因主要與樹突棘可塑性相關，而上調基因主要參與免疫反應（圖2d-e）。通過gsea進一步確認，“突觸後翻譯”是下調最顯著的生物學過程，該過程調控長期突觸可塑性（圖2fg），同時qpcr實驗驗證了參與“突觸後翻譯”的rpl、rps、eef、uba等相關基因表達降低，這表明移植的微生物群損害了mpfc的長期突觸可塑性。

在結構層面，研究向小鼠mpfc注射 sin-pal-gfp 病毒進行神經元稀疏標記，對mpfc Ⅱ/Ⅲ層和Ⅴ層（主要處理長程輸入的層級）神經元的樹突棘密度與形態進行分析（圖2h）。結果顯示，bd小鼠mpfc錐體神經元的總樹突棘密度顯著降低（圖2i-j），且所有樹突棘亞型（薄棘、粗短棘、蘑菇棘）密度均呈非顯著性降低，其中蘑菇棘的減少尤為明顯（圖2j），提示突觸形成能力受損且存在亞型特異性易感性。綜上，來自bd患者的腸道微生物群通過損害mpfc的突觸後翻譯與長期突觸可塑性、降低樹突棘密度，進而誘發雙相抑鬱樣行為。

圖2 mpfc的轉錄組和樹突棘變化是雙相抑鬱樣行為的潛在機制

為明確fmt對bd小鼠mpfc谷氨酸能神經元神經連接的影響，研究通過狂犬病毒逆向跨單突觸追蹤技術分析bd小鼠mpfc谷氨酸能神經元的全腦輸入連接（圖3a）。結果顯示，>80%起始細胞集中於mpfc Ⅱ/Ⅲ層和Ⅴ層，兩組起始細胞密度無差異（圖3b），全腦組織成像顯示多個腦區神經元與mpfc谷氨酸能神經元存在單突觸連接（圖3c）。進一步聚焦與雙相情感障礙病理密切相關的神經遞質系統，重點分析了具有明確起源核團的四大系統：基底前腦（乙酰膽鹼）、中腦vta/snc（多巴胺）、中縫背核（5-羥色胺）及藍斑核（去甲腎上腺素），以及它們向mpfc谷氨酸能神經元的投射變化。結果發現，只有多巴胺系統的病毒標記量在bd組顯著低於con組（圖3e），進一步細分腦區分析顯示，vta到mpfc谷氨酸能神經元的連接是減弱的關鍵通路，來自其他重要腦區的輸入在兩組間未發現顯著差異（圖3g-h）。綜上，腸道菌群移植可能特異性削弱了vta-mpfc的多巴胺能通路，這可能是bd抑鬱樣行為的重要神經環路基礎。

圖3 mpfc神經元的多巴胺系統連接減少

鑒於bla是與雙相情感障礙（bd）高度相關的腦區，且mpfc向杏仁核基底外側核發出密集投射。為探究腸道微生物群移植對bd小鼠投射至bla的mpfc谷氨酸能神經元神經連接的影響，採用病毒跨突觸追蹤策略。先向mpfc注射aav helper混合載體（aav-ef1α-dio-egfp-t2a-tva和aav-ef1α-dio-g），3周後向bla靶向注射狂犬病病毒（rv-cvs-enva-n2c(Δg)-tdtomato。），經1周表達後對全腦單突觸傳入進行成像（圖4a）。驗證結果顯示，起始細胞集中於mpfc前邊緣-邊緣下複合體，約70%集中在Ⅱ/Ⅲ層，兩組起始細胞密度無差異（圖4b）。全腦組織成像發現，bd組小鼠來自頂蓋帶（tt）和vta的輸入顯著減少和缺失（圖4c）；進一步分析乙酰膽鹼、多巴胺等神經遞質系統及丘腦、海馬等腦區的輸入，顯示兩組小鼠的輸入模式均無顯著差異（圖4d-h）。綜上，bd小鼠投射至bla的mpfc神經元傳入輸入重塑具有區域特異性，核心特徵為tt和vta輸入缺失。

圖4 投射至bla的mpfc神經元的單突觸連接

為明確bd小鼠mpfc與vta連接結構缺陷的功能意義，結合bd患者前額葉-vta連接改變與獎賞加工、快感缺失相關及vta為多巴胺主要分泌腦區的背景。研究向小鼠mpfc注射表達多巴胺指示劑aav-da2m（圖5a），表達一月後，通過光纖光度法結合尾夾刺激實時監測mpfc神經元的多巴胺反應（圖5b-d）。結果顯示，與對照組相比，bd小鼠mpfc在刺激下的多巴胺釋放幅度和整體反應均顯著降低（圖5f-i）。這表明bd組小鼠mpfc神經元存在功能性多巴胺缺乏。

已證實bd組小鼠的mpfc神經元存在多巴胺結構和功能缺陷。為驗證bd組小鼠vta多巴胺能神經元向mpfc谷氨酸能神經元的投射變化，研究通過mpfc注射逆行示蹤劑ctb追蹤vta投射神經元並免疫染色鑒定其多巴胺能屬性，發現bd組投射至mpfc的vta多巴胺能神經元數量呈下降趨勢（圖5j-l）；進一步通過結合狂犬病毒跨單突觸追蹤與th免疫染色，研究直接觀察到與mpfc谷氨酸能神經元形成突觸連接的vta多巴胺能神經元數量在bd小鼠中顯著減少（圖5m-o）這些結果從細胞連接層面證實，bd小鼠存在vta多巴胺能神經元向mpfc谷氨酸能神經元的特異性突觸投射損傷，為前述結構與功能的多巴胺異常提供了直接的解剖學證據。

圖5 投射至mpfc的vta多巴胺能神經元的結構和功能性多巴胺缺乏

本研究通過將bd患者的腸道菌群移植給小鼠，成功構建出具有抑鬱樣行為的小鼠模型。機制上，bd患者的腸道菌群通過腸‑腦軸特異性損害vta‑mpfc多巴胺能通路的結構連接與功能傳遞，導致mpfc突觸可塑性降低，進而誘發抑鬱樣行為。該發現為理解雙相情感障礙的病理機制提供了新的微生物‑神經環路視角，並提示腸道菌群或可作為該疾病的潛在干預靶點。

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