Nature ： 菌群参与调控恐惧记忆消除

来源：BioArt

菌群是一个包含了病毒、细菌、真菌和寄生虫的复杂群体。多细胞生物与菌群协同生长，共同进化，相辅相成【1】。在哺乳动物中，菌群组分的变化，可以影响包括生长发育，新陈代谢，免疫应答等等生理功能，并且，与多种疾病的发生发展密切相关【2】。另外，菌群同样可以影响宿主行为，菌群异常有可能导致宿主社交异常，压力增大，焦虑等等，最终导致多种神经精神病学相关疾病【3】。但是，菌群是如何影响神经活动和宿主行为呢？

2019年10月24日，来自美国康奈尔大学的Conor Liston团队和David Artis 团队合作在Nature杂志上在线发表题为The microbiota regulate neuronal function and fear extinction learning的研究文章，发现小鼠恐惧记忆消除（fear extinction learning）需要菌群的参与。

巴甫洛夫恐惧条件反射 (Pavlovian fear conditioning) 是一种在进化上高度保守的认知过程，通过这一过程，可以对外界的刺激做出安全与否的判断，极有利于生物的存活【4】。而恐惧记忆消除（fear extinction learning）则指的是这种刺激信号出现，但却并不伴随任何危险，因此，机体也不会做出规避危险的反应。多种神经精神病学疾病都会伴随恐惧记忆消除异常【5】。并且，多项临床和流行病学研究发现，菌群的变化与诸多神经精神病学疾病相关【6-8】，所以，作者猜测，恐惧记忆消除异常与菌群，很可能也存在相互关系。

为了证实这一猜想，作者采用经典恐惧条件反射和消除模型（classical cued fear conditioning and extinction learning paradigm）【9】，检测正常小鼠和通过投喂抗生素（antibiotics，简称ABX）清除菌群小鼠的区别。作者发现，与正常小鼠相比，ABX小鼠恐惧条件发射反应正常，但是恐惧消除反应异常。为了进一步确定这一结论，作者用同种方式检测无菌小鼠（germ-free，简称GF），发现，与ABX小鼠类似，GF小鼠的恐惧消除也发生异常。这些结果都说明，菌群是恐惧记忆消除的决定因素之一。

接下来，作者探究这一过程的在分子上，细胞上和组织学层面的神经学基础。有报道指出，大脑前额叶皮质（medial prefrontal cortex，简称mPFC）是与恐惧消除相关【10】，所以，作者提取正常小鼠和ABX小鼠的mPFC细胞并做RNA测序。作者发现，二者转录组区别很大。通过Search tool for recurring instances of neighbouring genes （简称STRING）， Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes （简称KEGG）和Gene Ontology （简称GO）等数据库分析差异基因，作者发现， 这些基因集中在神经细胞活化（neuronal activity），突触功能（ synapse function），中枢神经系统成熟（CNS maturation）和突触可塑性（synaptic plasticity）等方面。

在细胞上，作者通过单细胞核测序技术（single-nucleus RNA sequencing，简称snRNA-seq），比较分析正常小鼠和ABX小鼠mPFC样品的细胞差异。结果显示，活化性神经元 （excitatory neurons）比抑制性神经元（inhibitory neurons）变化剧烈。星形胶质细胞（Astrocytes）， 髓鞘少突胶质细胞（myelinating oligodendrocytes）和小胶质细胞（microglia）这三类辅助性细胞变化最为明显。

最后，作者探究了菌群在组织学层面的影响。报道指出，突触树突棘（postsynaptic dendritic spine）是树突上的膜状突起，在学习记忆过程中，会发生动态变化【11-14】。通过双光子激光扫描电镜技术（two-photon laser scanning microscopy），作者发现，与正常小鼠相比，ABX小鼠的树突棘消失速率（elimination rates）明显升高，而形成速率（formation rates）则没有明显变化。并且，恐惧条件反射模型下，两种小鼠没有明显区别，而恐惧记忆消除模型下，二者区别明显，正常小鼠的树突棘形成速率增加，而ABX小鼠变化不大；正常小鼠的树突棘消失速率变化不大，但ABX小鼠持续增加。上面这些结果说明，菌群所导致的恐惧记忆消除异常与突触树突棘变化相关。

这篇文章通过比较正常小鼠和抗生素处理小鼠的行为学差异，发现清除菌群的小鼠，其恐惧记忆消除异常。随后，从分子，细胞和组织三个层面，研究两种小鼠的差异，从而建立菌群影响小鼠恐惧记忆消除的机制。这篇文章是菌群与神经交叉研究的模范作品，其亮点在于内在逻辑，先通过行为学实验确定表型，再通过分子，细胞，组织三个层次一一研究，逐渐递进深入，十分值得学习。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1644-y

参考文献

1. Belkaid, Y. & Hand, T. W. Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell 157,121–141 (2014).

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3. Vuong, H. E., Yano, J. M., Fung, T. C. & Hsiao, E. Y. The microbiome and host behavior. Annu. Rev. Neurosci. 40, 21–49 (2017).

4. Maren, S. Neurobiology of Pavlovian fear conditioning. Annu. Rev. Neurosci. 24, 897–931 (2001).

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6. Mielcarz, D. W. & Kasper, L. H. The gut microbiome in multiple sclerosis. Curr. Treat. Options Neurol. 17, 344 (2015).

7. Krajmalnik-Brown, R., Lozupone, C., Kang, D. W. & Adams, J. B. Gut bacteria in children with autism spectrum disorders: challenges and promise of studying how a complex community influences a complex disease. Microb. Ecol. Health Dis. 26, 26914 (2015).

8. Zheng, P. et al. Gut microbiome remodeling induces depressive-like behaviors through a pathway mediated by the host’s metabolism. Mol. Psychiatry 21, 786–796 (2016).

9. Pattwell, S. S. et al. Altered fear learning across development in both mouse and human. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 16318–16323 (2012).

10. Tovote, P., Fadok, J. P. & Lüthi, A. Neuronal circuits for fear and anxiety. Nat. Rev. Neurosci. 16, 317–331 (2015).

11. Yuste, R. & Bonhoeffer, T. Morphological changes in dendritic spines associated with long-term synaptic plasticity. Annu. Rev. Neurosci. 24, 1071–1089 (2001).

12. Yuste, R. & Denk, W. Dendritic spines as basic functional units of neuronal integration. Nature 375, 682–684 (1995).

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