中縫正中核的功能研究進展

韓曉蒙，洪浩，唐蘇蘇

(中國藥科大學藥學院藥理系，江蘇 南京 211198)

中縫核位于腦干中線，貫穿中腦、腦橋和髓質，在顯微鏡神經解剖學早期就已經被發(fā)現。位于中縫核的一些核團，例如尾線性核(caudal linear nucleus,CLi)、中縫背核(dorsal raphe nucleus,DRN)和中縫正中核(median raphe nucleus,MRN)等，都具有延伸至前腦結構的投射[1]。其中，DRN由于其神經纖維投射腦區(qū)較多而得到了廣泛的研究，其他中縫核腦區(qū)則相對被研究者所忽略。然而，有大量證據表明MRN同樣具有細胞異質性以及廣泛的傳入和傳出纖維，可能在情緒、記憶、攝食和睡眠等功能上起到重要調控作用。本文圍繞近年來對MRN的功能研究進展進行綜述，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 MRN的解剖組織結構及主要纖維投射

MRN位于中腦下端和腦橋上端的中縫上，居內側縱束的腹側，隔結合臂交叉與中縫背核相鄰，這里神經元體積中等偏小，排列密集[2]。從神經化學角度來看，MRN存在多種遞質類型的神經元，其中表達γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)的占37.2%，單獨表達谷氨酸(glutamate,Glu)或5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)的分別占比26%和8.5%，共表達Glu和5-HT的占比12.8%[3]；除此之外，黑色素濃集激素(melanin-concentrating hormone,MCH)、食欲素(orexins)等神經肽在此處同樣有較為豐富地表達[4-5]。MRN涉及神經環(huán)路復雜，主要接受來自下丘腦背側和外側，以及未定帶(zona incerta,ZI)、中腦導水管周圍灰質(periaqueductal gray,PAG)等腦干區(qū)域的投射，此外還有少量投射來自前額葉皮層(prefrontal cortex,PFC)的前扣帶回和邊緣前區(qū)；其下游腦區(qū)主要位于中腦和前腦，它對隔核-海馬(septum-hippocampus)系統(tǒng)的調控作用也有報道[6-7]。

2 MRN的功能調節(jié)

2.1 情緒 抑郁癥是一種嚴重的心理疾病，常見癥狀為快感缺失、社交回避和行為絕望，通常還會伴隨著嚴重的焦慮癥狀，導致患者本身承受大量痛苦[8]。5-HT功能的下降與抑郁癥形成密切相關。而海馬(hippocampus,HIP)等與抑郁密切相關的腦區(qū)都接收到大量來自MRN的5-HT能神經元投射[7]，提示MRN的活性變化可能與抑郁癥的進展密切相關。

21世紀之前的研究者們通過電解損傷或電刺激激活技術、藥理學干預等手段，發(fā)現MRN核團的激活程度與嚙齒動物焦慮程度呈現正相關[9]，近年來研究者們通過新的技術手段進一步探究MRN與焦慮的關系。Teissier等[10]發(fā)現，通過化學遺傳分別激活和抑制MRN的5-HT能神經元，可相應地加重或減輕小鼠的焦慮癥狀，這一表現與干預DRN 5-HT神經元所起效應相反，Ohmura等[11]在探究MRN與焦慮相關的環(huán)路機制時，通過光遺傳手段再次印證了此結果。在MRN，絕大多數5-HT神經元同時還表達Glu神經元標記物vGluT2，其興奮性神經元在獲得負面體驗時被激活，并將信息傳遞到腦內厭惡中樞——隔核-海馬系統(tǒng)，完成中轉厭惡信息的作用[12]。Szonyi等[13]詳細描述了MRN在腦內厭惡系統(tǒng)的上下游聯系，通過分子生物學和光遺傳手段驗證了MRN興奮性神經元激活與厭惡情緒之間的充分必要關系，并且進一步證明激活這些神經元可誘導小鼠出現攻擊和抑郁樣行為。然而，目前臨床上廣泛使用的藥物選擇性5-HT再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRIs)，其作用機理是增加5-HT在突觸間隙的停留時間，強化5-HT系統(tǒng)的作用，從而起到抗抑郁、抗焦慮等作用[14]。上述研究結果并沒有與臨床應用相一致，這似乎在提醒研究者們MRN在負面情緒方面的作用并不是單一的。Deakin[15]根據一系列基于5-HT功能的動物模型研究，推測重度抑郁癥患者MRN活動不足，對HIP抑制作用降低，導致其過度活躍[15]。Johnston等[16]采用功能磁共振成像技術分析重度抑郁癥患者腦區(qū)活動情況，驗證了上述推測，并且進一步證明HIP過度活躍程度與抑郁癥狀嚴重程度呈正相關。

出現上述不同結果可能有多種原因。MRN分布著多種亞型的5-HT受體，這些受體的功能不盡相同。其中，5-HT 1A自受體位于5-HT神經元的胞體和樹突上，激活它能使細胞膜電位出現超極化，抑制自身活動從而降低投射區(qū)細胞外5-HT水平，引發(fā)焦慮和抑郁等癥狀[17]；而當位于突觸后膜的5-HT 1A受體被激活時，則會使小鼠在焦慮和抑郁方面的癥狀均有所減輕[18]。更復雜的是，還有一些位于突觸后膜的5-HT受體會加重小鼠的焦慮癥狀，例如5-HT 2A和2C受體[11，19]。直接激活或抑制MRN會導致 5-HT系統(tǒng)的多種受體同時被干預，因此，不同實驗條件下小鼠的表現可能會大不相同。為避免這一情況，部分臨床上使用的抗抑郁藥物可直接針對某一種或幾種亞型的5-HT受體[20]，例如米氮平可非選擇性拮抗5-HT 2型和3型受體，米安色林選擇性拮抗5-HT 2型受體，而新型抗抑郁藥物阿戈美拉汀只對5-HT 2C受體產生拮抗作用，具有更強的選擇性，有效減少了可能產生的副作用[21]。

2.2 記憶 MRN可以通過調節(jié)杏仁核(amygdala,Amy)、HIP和PFC等腦區(qū)部分神經元活性，直接或間接參與記憶的形成以及提取過程[22]。早在1985年，Wirtshafter等[23]電解損傷大鼠的MRN，通過T迷宮實驗觀察到其空間工作記憶受損，初步猜測該結果可能與這里的5-HT神經元受損有關；Warburton等[24]在MRN注射5-HT 1A受體激動劑8-OH-DPAT，發(fā)現可以增強大鼠的空間工作記憶，證實了上述猜測。另外，Bernedo等[25]對患有阿爾茨海默病(alzheimer disease,AD)的狗進行了詳細研究，發(fā)現其DRN和MRN的5-HT神經元數量相比于記憶正常的狗來說有明顯減少。上述報道證明了MRN 5-HT神經元功能下降與記憶受損之間的充分必要關系，然而，還有一些報道得到的結果與上述結論并不相同。

促皮質素釋放因子(corticotropin releasing factor，CRF)是一種由41個氨基酸組成的神經肽，在創(chuàng)傷后應激綜合征(post-traumatic stress syndrome,PTSD)患者腦脊液中表達含量較多[26]。MRN中存在著CRF受體，同時又有證據表明CRF可能與5-HT神經元之間存在著某種聯系[27]。Ohmura等[28]在大鼠MRN注射CRF，激活5-HT神經元上的CRF 2型受體，減弱MRN對腹側海馬(vHIP)5-HT能的輸入，大鼠在情景恐懼條件反射實驗中的凝滯時間(freezing time)增加，說明大鼠的恐懼記憶提取得到了強化。海馬CA1所產生的波紋活動與記憶鞏固相關，Wang等[29]發(fā)現MRN神經元直接影響背側CA1的波紋活動，采用光遺傳技術分別激活和抑制MRN神經元，會導致CA1波紋活動的減弱和增強，直接激活MRN神經元會干擾小鼠條件恐懼記憶的鞏固階段。綜合上述報道可以發(fā)現，MRN對HIP不同位置的投射能調控條件恐懼記憶的不同階段，并且5-HT功能增加會導致條件恐懼記憶受損。

上述報道提到激活MRN對HIP的5-HT能輸入會干擾條件恐懼記憶，然而Balazsfi等[22]在情景恐懼條件反射實驗中光遺傳激活MRN，導致內側前額葉皮層(mPFC)、Amy、導水管周圍灰質(PAG)以及下丘腦室旁核(PVN)等腦區(qū)c-fos表達增加，強化了小鼠的長期恐懼記憶。記憶是大腦的一種高級動能，完整的記憶需要經過編碼、鞏固和提取3個階段，每個階段都由多個腦區(qū)協同調控，而不同腦區(qū)在記憶過程中所產生的效應并不相同[30]。產生上述矛盾結果的原因可能是MRN 5-HT能神經元投射到多個腦區(qū)，其下游腦區(qū)分別產生不同作用，導致結果不一。

在抗AD藥物研發(fā)方面，臨床前研究表明抑制5-HT 6型受體可通過增加膽堿能神經元活性來改善模型動物的認知能力，根據此機理研發(fā)的5-HT 6型受體抑制劑Idalopirdine，在臨床Ⅱ期試驗中發(fā)現其能夠與膽堿酯酶抑制劑多奈哌齊產生協同作用，顯著改善AD患者的認知功能[31]。然而Ⅲ期臨床試驗并未重現臨床Ⅱ期的陽性結果，多家藥企均終止了相關試驗[32]。這表明5-HT系統(tǒng)在記憶功能中起到的作用仍未被闡明，需進行更深層次的研究來為新藥研發(fā)提供新的思路。

2.3 睡眠 MRN的5-HT能神經元在睡眠中的作用一直是有爭議的。色氨酸羥化酶-2(tryptophan hydroxylase-2,TPH2)是5-HT合成的限速酶，早期的報道顯示，切除中縫核或腹腔注射TPH抑制劑均可以導致睡眠減少[33-34]，這些結果支持5-HT神經元起到促進睡眠的作用。然而同樣有報道支持5-HT神經元促進覺醒，例如大多數中縫核的5-HT神經元在睡眠階段的快速動眼期(rapid eye movement,REM)保持沉默，非快速動眼期(non-rapid eye movement,NREM)活躍水平較低，而在清醒狀態(tài)下是活躍的[35]。近年來，即使研究神經科學的技術飛速發(fā)展，但研究者們仍未就5-HT在睡眠中的作用達成共識。Oikonomou等[36]在TPH2敲除的斑馬魚和破壞中縫核的野生型斑馬魚中均觀察到其睡眠穩(wěn)態(tài)受到破壞，光遺傳激活正常斑馬魚的中縫核5-HT神經元則會促進睡眠，上述結果在小鼠中同樣的到了印證。而Murray等[37]發(fā)現破壞中縫核5-HT神經元，會使小鼠在環(huán)境溫度較低的情況下發(fā)生失眠，在溫暖的環(huán)境下不會導致失眠。由于哺乳動物自身產熱離不開5-HT神經元，因此他們認為破壞中縫核5-HT神經元所導致的失眠是寒冷環(huán)境下體溫過低所致，并不是因為直接促進小鼠覺醒。

除5-HT外，MRN還含有其他與睡眠相關的物質。起源于后外側下丘腦和 ZI 的 MCH 與睡眠密切相關，作用于MRN的5-HT 和 GABA 神經元降低這些神經元的放電頻率，在 MRN 注射 MCH 可促進 REM[38]。食欲素能神經元起源于外側下丘腦，投射到包括MRN的若干個腦區(qū)，食欲素不足會導致小鼠突然進入睡眠，并伴隨著REM的延長[39]。Hsiao等[40]發(fā)現對小鼠進行不可避免的足底電擊(IFS)誘導失眠后，食欲素表達增加[4]，在MRN注射食欲素拮抗劑TCS-1102則會增加小鼠的REM，減少IFS引發(fā)的失眠。另外，直接在MRN注射食欲素可引起類似的失眠癥狀，而通過微透析可以發(fā)現在MRN注射食欲素B會引起細胞外5-HT的少量增加[4]，這表明MRN的食欲素可能與5-HT協同調控睡眠。近年來，陸續(xù)有通過調控食欲素系統(tǒng)來治療失眠的藥物進入臨床試驗或上市。由默克公司研發(fā)的舒伐寧(suvorexant)是世界上首個治療失眠癥的食欲素受體拮抗劑藥物，在2014年的臨床Ⅲ期試驗中展現了顯著優(yōu)于安慰劑的治療效果，并且耐受性良好，于同年在美國上市[41]。衛(wèi)材公司研發(fā)的萊博雷生(lemborexant)則是另一款同種類抗失眠藥物，分別于2019年和2020年在美國和日本上市[42]。上述兩種藥物的接連上市展現了食欲素系統(tǒng)在治療失眠癥方向上的光明前景。

2.4 成癮 成癮是一類癥狀的總稱，包括藥物成癮、尼古丁成癮、酒精成癮等，它們的共同點是在形成過程中發(fā)生正強化，導致成癮行為不斷重復并成為習慣，最終具有了強迫性[43]。關于MRN在成癮方面的報道主要集中在了尼古丁成癮和酒精成癮。有報道稱酒精和尼古丁均會影響5-HT系統(tǒng)的功能，Jang等[44]在此基礎上，進一步研究發(fā)現酒精和尼古丁會導致青春期大鼠腦內TPH2生成減少，進而降低5-HT系統(tǒng)的功能，而通過在MRN注射5-HT 1A受體激動劑或GABA受體激動劑均可以導致大鼠的自愿飲酒行為或引發(fā)與尼古丁相關的焦慮樣表現[45-46]，這表明抑制MRN神經元會導致大鼠成癮癥狀，從而雙向驗證了MRN 5-HT系統(tǒng)與成癮之間的關系。然而，同樣有報道表明成年酗酒者的MRN中TPH2的mRNA和蛋白水平更高[47]，可能是因為成年期相對于青春期來說，5-HT系統(tǒng)更不容易受到酒精等因素的影響，機體對被酗酒行為產生的損傷產生了一定的代償作用。

通過某些途徑間接干預MRN的5-HT系統(tǒng)同樣可以引發(fā)成癮癥狀，還可避免直接干預所產生的其他影響。CRF受體和GABA受體均可影響5-HT神經元活性，阻斷MRN的CRF受體可抑制大鼠酒癮發(fā)作引起的焦慮癥狀，同時這里的GABAA受體還參與了強化成癮過程。使用CRF和巴氯酚分別激活MRN的CRF受體和GABAA受體，均可導致大鼠的酒精尋求行為[46，48]。此外，在環(huán)路水平上，MRN與腳間核(interpeduncular nucleus，IP)形成GABA能的雙向投射，而IP與其主要輸入腦區(qū)內側韁核(medial habenula，MHb)是尼古丁成癮的重要參與者，因此MRN可能通過調節(jié)IP活性，參與調控尼古丁成癮癥狀[49]。

此外，MRN在藥物成癮方面還有少量報道?？煽ㄒ蚩赊卓?-HT轉運體(serotonin transporter,SERT)，抑制5-HT再攝取，使人產生欣快感，進而出現正強化導致成癮作用。DRN和MRN的5-HT神經元在可卡因引起的異常行為模式上起到不同作用，分別敲減DRN和MRN的SERT，可對應的導致小鼠長期(6 h)和短期(1 h)內的可卡因攝入增加[50-51]。

2.5 其他 MRN神經元種類眾多，遞質表型復雜，這也決定了其功能的多樣性。除上述主要功能外，還有以下功能被報道：①攝食，大鼠處于饑餓狀態(tài)時，MRN的c-fos表達增加，飽腹后表達減少，表明MRN神經元可能參與了調控進食的環(huán)路[52-53]。在MRN激活GABA受體使伏隔核和紋狀體多巴胺代謝大幅增加，拮抗α1-腎上腺素受體增加了食欲素能神經元的活性，上述兩種干預均可導致大鼠進食增加[54-55]；②癲癇，5-HT神經元可抑制邊緣系統(tǒng)的異常放電，減輕癲癇發(fā)作的外顯癥狀，MRN注射5,7-二羥色胺(5,7-DHT)選擇性破壞5-HT神經元可引發(fā)大鼠癲癇癥狀[56]；③運動，MRN與基底神經節(jié)和小腦等與運動功能相關的腦區(qū)存在雙向調節(jié)，目前有基于調節(jié)5-HT系統(tǒng)的治療帕金森綜合征等運動功能障礙的藥物正在研發(fā)中[57]；④一些基本生命活動，包括呼吸、水穩(wěn)態(tài)、體溫維持和晝夜節(jié)律等[58-61]。

3 展望

MRN神經元在解剖學、神經化學和電生理上明顯的異質性，使其較早就匯集了大量研究者的目光。由于早期研究技術條件的限制，對其投射、功能等的探究較膚淺。如今，過去研究常用的形態(tài)學、行為學以及功能成像技術都有了快速發(fā)展，而膜片鉗、在體電生理以及多種遺傳學等新技術的出現使得研究者們更加精準、詳細地研究各腦區(qū)的作用機制。關于MRN還有許多未解之謎，筆者認為今后對其研究將主要集中在以下幾個方面：①與MRN相關的神經環(huán)路，包括上下游不同腦區(qū)、不同遞質投射的功能以及病理條件下這些環(huán)路突觸可塑性的變化情況；②MRN的功能與多種調質、激素等物質相關，然而目前僅有少數幾種得到了深入研究，例如食欲素、催產素等物質已被證明在其他腦區(qū)所調控的多種功能中起重要作用，因此在MRN對其進行深入研究同樣具有重要意義；③MRN是調控行為、情緒和體內穩(wěn)態(tài)等功能的一個重要腦區(qū)，目前對于它的研究還遠遠不夠透徹，因此可能還有其他未知功能等待人們去闡明。