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作者：小欣博士

急性和短期有節(jié)律性40 Hz光刺激刺激在減輕阿爾茨海默病（AD）、中風(fēng)和自閉癥譜系障礙（ASD）小鼠模型的認(rèn)知損傷方面顯示出了良好的效果。了解其長(zhǎng)期影響和機(jī)制對(duì)于提高其對(duì)人類(lèi)的治療潛力至關(guān)重要。

基于此，2024年4月29日南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系侯圣陶研究團(tuán)隊(duì)在bioRxiv雜志發(fā)表了“Enhancement of spatial learning by 40 Hz visual stimulation requires parvalbumin interneuron-dependent hippocampal neurogenesis”揭示了40Hz視覺(jué)刺激增強(qiáng)空間學(xué)習(xí)需要PV神經(jīng)元間依賴(lài)的海馬神經(jīng)發(fā)生。

作者發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露于40 Hz的光刺激（每天1小時(shí)，連續(xù)30天）明顯改善了齒狀回（DG）的空間學(xué)習(xí)和神經(jīng)發(fā)生，而沒(méi)有有害的行為副作用。成年海馬中雙皮質(zhì)激素陽(yáng)性細(xì)胞（DCXDTR）轉(zhuǎn)基因缺失的小鼠在40 Hz刺激下未能表現(xiàn)出增強(qiáng)神經(jīng)發(fā)生和空間學(xué)習(xí)能力。該研究指出：長(zhǎng)期暴露于40Hz的光刺激改善了海馬的空間學(xué)習(xí)和神經(jīng)發(fā)生且無(wú)不良反應(yīng)。40Hz光閃誘發(fā)的成體神經(jīng)發(fā)生需要GABA能抑制性PV中間神經(jīng)元的活動(dòng)；40 Hz的光閃爍提高了GABA水平，增強(qiáng)了DG中的抑制性傳遞；GABA的增加是成人神經(jīng)發(fā)生的重要神經(jīng)化學(xué)機(jī)制。

圖一 長(zhǎng)期40 Hz光刺激治療可顯著增強(qiáng)DG空間學(xué)習(xí)和神經(jīng)發(fā)生

為了評(píng)估40 Hz光刺激治療對(duì)認(rèn)知功能的影響，6月齡的小鼠每天暴露于40 Hz光刺激中1小時(shí)，持續(xù)30天。相同年齡的對(duì)照組小鼠被保持在相同的光照和黑暗（12：12小時(shí)）的周期條件下，而沒(méi)有40 Hz這種干預(yù)。從第25天到第30天，作者使用主動(dòng)位置回避（APA）測(cè)試來(lái)評(píng)估這些小鼠的空間學(xué)習(xí)表現(xiàn)。在這項(xiàng)任務(wù)中，小鼠被放置在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，并根據(jù)它們使用空間視覺(jué)線(xiàn)索避免靜止電擊區(qū)的能力進(jìn)行評(píng)估。從實(shí)驗(yàn)第2天到第5天，與未經(jīng)處理的小鼠相比，長(zhǎng)期接受40 Hz光刺激處理的小鼠避免電擊區(qū)能力有明顯改善。此外，長(zhǎng)時(shí)間暴露于40 Hz的光刺激既沒(méi)有引起焦慮樣行為，也沒(méi)有改變這些小鼠的自發(fā)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。鑒于增強(qiáng)空間學(xué)習(xí)和增加海馬神經(jīng)發(fā)生之間的聯(lián)系，作者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來(lái)探究長(zhǎng)時(shí)間暴露于40 Hz光刺激是否促進(jìn)成人大腦的神經(jīng)發(fā)生。從第24天到第27天，小鼠每天注射BrdU，然后通過(guò)對(duì)BrdU和未成熟神經(jīng)元標(biāo)記物DCX的免疫染色來(lái)評(píng)估海馬DG和SVZ中新生神經(jīng)元的數(shù)量。與未經(jīng)處理的小鼠相比，長(zhǎng)期40 Hz光處理小鼠的BrdU+、DCX+和+/DCX+共染色陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量明顯增加，而SVZ區(qū)域沒(méi)有發(fā)生變化。這些數(shù)據(jù)表明，在長(zhǎng)期暴露于40 Hz光刺激治療后，DG神經(jīng)發(fā)生和空間學(xué)習(xí)的增強(qiáng)之間存在潛在的聯(lián)系。

圖二 損毀成年小鼠DCX+細(xì)胞可消除40 Hz光刺激，增強(qiáng)空間學(xué)習(xí)

為了研究長(zhǎng)期40 Hz光刺激處理增強(qiáng)的空間學(xué)習(xí)是否需要成年神經(jīng)發(fā)生，作者使用DCXDTR小鼠。通過(guò)注射白喉毒素（DT）誘導(dǎo)新生神經(jīng)元的缺失，從第8天開(kāi)始，每2天注射一次生理鹽水或DT，持續(xù)2周。曠場(chǎng)試驗(yàn)（OFT）結(jié)果表明，DT和40 Hz光刺激沒(méi)有引起焦慮樣行為或影響DCXDTR小鼠的自發(fā)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。與DCXDTR組相比，DCXDTR+40 Hz組在APA測(cè)試中顯著提高了他們避免電擊區(qū)的能力。相比之下，DCXDTR + DT+ 40 Hz組和DCXDTR + DT組接受的沖擊次數(shù)沒(méi)有差異。此外，DT誘導(dǎo)的DCX+未成熟神經(jīng)元的缺失顯著損害了空間學(xué)習(xí)能力。這些發(fā)現(xiàn)表明，DCX靶向消除成年小鼠的神經(jīng)發(fā)生可以消除40 Hz光刺激處理誘導(dǎo)的空間學(xué)習(xí)增強(qiáng)。作者使用免疫組化方法評(píng)估了BrdU+、DCX+和BrdU+ /DCX+細(xì)胞的數(shù)量。與DCXDTR組相比，DCXDTR + 40 Hz組DG區(qū)BrdU+、DCX+和BrdU+ /DCX+細(xì)胞明顯增加。DCXDTR + DT組與DCXDTR組在DG中BrdU+細(xì)胞的數(shù)量無(wú)顯著差異，說(shuō)明成年小鼠DG中DCX的缺失并不影響神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖。此外，與DCXDTR + 40 Hz組相比，DCXDTR + DT + 40 Hz組的BrdU+細(xì)胞數(shù)量沒(méi)有明顯變化，但DG中的DCX+細(xì)胞和BrdU+ /DCX+細(xì)胞數(shù)量顯著減少。因此，DT處理誘導(dǎo)的DCX+細(xì)胞缺失消除了40Hz閃爍處理引起的神經(jīng)發(fā)生增強(qiáng)。

圖三 40 Hz光處理后DG PV中間神經(jīng)元的激活

考慮到PV中間神經(jīng)元在促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生中的關(guān)鍵作用，作者研究了40 Hz光刺激處理是否激活了DG中的PV中間神經(jīng)元。在轉(zhuǎn)基因PVCre小鼠DG區(qū)注射rAAV-DIOjGCaMP7f病毒。采用光纖記錄檢測(cè)PV中間神經(jīng)元鈣信號(hào)。結(jié)果表明40 Hz光刺激處理可激活PV中間神經(jīng)元。接下來(lái)作者研究了長(zhǎng)時(shí)間暴露于40 Hz光刺激處理是否會(huì)影響PV中間神經(jīng)元的電生理特性。延長(zhǎng)的40 Hz光刺激并沒(méi)有引起PV中間神經(jīng)元的膜電阻的變化。然而，在這些中間神經(jīng)元中，流變基電流的下降和放電率的增加發(fā)生了變化。這些發(fā)現(xiàn)表明延長(zhǎng)40 Hz光刺激處理通過(guò)降低PV中間神經(jīng)元的激活閾值和增強(qiáng)其放電能力來(lái)影響它們的興奮性。

總結(jié)

目前的研究首次對(duì)40 Hz光刺激的長(zhǎng)期治療進(jìn)行了全面分析，長(zhǎng)時(shí)間暴露于40 Hz光刺激可促進(jìn)成人大腦DG區(qū)域的神經(jīng)發(fā)生，并增強(qiáng)空間學(xué)習(xí)。作者的數(shù)據(jù)顯示，這些小鼠并沒(méi)有表現(xiàn)出壓力和焦慮水平的增加，該技術(shù)可作為治療人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在臨床療法。

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