2025年4月3日，賓夕法尼亞大學Peter Nagele在Nature communications發(fā)表：Nitrous oxide activates layer 5 prefrontal neurons via SK2 channel inhibition for antidepressant effect，揭示了一氧化二氮通過抑制SK2通道激活第五層前額葉神經元以發(fā)揮抗抑郁作用。
一氧化二氮（N2O）能夠誘導快速且持久的抗抑郁效果。然而，介導這一過程的細胞和神經回路機制尚不明確。在本研究中，作者發(fā)現(xiàn)單次吸入N2O劑量即可在慢性應激條件下的嚙齒動物扣帶回皮層中快速且特異性地激活第五層（L5）錐體神經元。N2O誘導的L5激活可以逆轉與應激相關的低活動狀態(tài)，這種效應在暴露后持續(xù)存在，并且對其抗抑郁樣活性至關重要。盡管NMDA受體拮抗作用被認為是N2O的主要作用機制，但即使通過藥理學和遺傳學方法減弱NMDA受體功能時L5神經元仍然會被激活。通過對不同分子和神經回路靶點的研究，結果表明N2O對鈣敏感鉀離子通道（SK2通道）的抑制是驅動特定L5活動以及隨之而來的抗抑郁樣效應的關鍵分子相互作用。這些結果表明，N2O誘導的L5激活對其快速抗抑郁作用至關重要。
圖一 N2O誘導L5錐體神經元的快速且特異性激活，從而驅動抗抑郁樣反應
慢性應激是抑郁癥的重要風險因素，能導致神經元結構、功能和行為的適應不良變化。本研究使用兩種方法對小鼠施加慢性應激：飲用水中的慢性皮質酮（CORT）和長期暴露于攻擊性CD-1小鼠（CAI）模擬重復的社會挫敗應激。通過給予50% N2O或作為對照的100%氧氣（O2）治療，發(fā)現(xiàn)N2O能在1小時內快速逆轉由CORT和CAI引起的小鼠焦慮以及抑郁樣狀態(tài)，包括在懸尾測試中不動時間減少、糖水偏好增加以及在高架十字迷宮開放臂活動增加。研究表明，慢性應激可使嚙齒動物mPFC L5錐體神經元進入低活動狀態(tài)。N2O能夠特異性地激活這些L5神經元，并且這種激活與抗抑郁效應相關聯(lián)。進一步實驗通過分別激活或抑制L5神經元，證實了L5神經元的激活對于N2O的快速抗抑郁作用至關重要。具體來說，激活L5神經元可以模仿N2O的抗抑郁效果，而抑制這些神經元則阻斷了N2O的抗抑郁效應。綜上所述，結果表明N2O通過快速激活受慢性應激影響的L5神經元來發(fā)揮其快速抗抑郁作用，強調了L5神經元在此過程中的關鍵角色。
圖二 減少的NMDA受體活性并不會削弱N2O在體內誘導的L5神經元激活
為了探究NMDA受體活性是否是N2O誘導L5快速且持續(xù)活動所必需的，在局部應用NMDA受體拮抗劑前后記錄了L5的反應。D-APV和MK801均抑制了L5的自發(fā)鈣活動。然而，即使在NMDA受體阻斷劑存在的情況下，N2O仍保留了其激活L5活動的能力。較低濃度的MK801（10 μM）增加了L5的基礎活動，但仍表現(xiàn)出類似的N2O誘導效應。此外，即使在局部共同應用強效興奮性突觸阻斷劑（MK801和AMPA受體阻斷劑CNQX）的情況下L5活動仍然持續(xù)。因此，在NMDA受體阻斷劑或興奮性突觸阻斷劑存在的情況下，N2O仍能快速激活L5。當追蹤N2O暴露后的L5神經元時，NMDA受體阻斷劑顯著降低了N2O對L5持續(xù)活動的影響。在先用N2O處理后再局部應用NMDA受體阻斷劑的小鼠中，N2O誘導的L5持續(xù)活動顯著減弱。作者的研究結果表明，即使NMDA受體功能減弱，N2O仍能快速激活L5神經元。與N2O類似，氯胺酮被認為主要通過NMDA受體拮抗作用發(fā)揮其快速且持久的抗抑郁效果。鑒于N2O誘導的L5神經元激活即使在NMDA受體功能降低的情況下仍會發(fā)生，假設氯胺酮和N2O會以不同的方式調節(jié)Cg1局部L5神經元的自發(fā)活動。發(fā)現(xiàn)這兩種藥物對L5神經元的調節(jié)作用相反，雖然N2O在兩種處理中引發(fā)了更強的L5反應，但氯胺酮激活的L5神經元與N2O激活的群體幾乎沒有重疊。局部應用氯胺酮未能阻斷或重現(xiàn)N2O誘導的L5激活。當氯胺酮在兩次N2O暴露之前或之間給予時，氯胺酮抑制了隨后的N2O誘導的L5激活。因此，N2O和氯胺酮對L5活動的調節(jié)高度分化。這表明這兩種藥物可能通過不同的細胞和神經回路機制實現(xiàn)其急性抗抑郁效果。
圖三 藥理學抑制SK2通道驅動L5神經元和VIP神經元的快速激活，并產生抗抑郁樣效應
作者繼續(xù)探索了利用特定抑制劑阿帕明對SK2通道功能進行局部藥理學抑制是否能夠驅動表達SK2的神經元自發(fā)激活。結果表明，阿帕明能夠自發(fā)招募L5和VIP神經元，而不會影響L2/3錐體細胞或中間神經元（PV或SST）。選擇性SK2負調節(jié)劑NS 8593也引發(fā)了類似的L5反應。即使在局部應用NMDA受體拮抗劑D-APV的情況下，L5的自發(fā)招募仍然發(fā)生，這進一步證實了這一過程不依賴于NMDA受體。相比之下，在N2O暴露前局部應用SK2通道激活劑CyPPA會減弱N2O誘導的L5活動。與N2O類似，單次腹腔注射阿帕明在應激小鼠中引發(fā)了快速的抗抑郁樣反應。SK2通道在L2/3細胞類型中的過表達（這些細胞通常不表達SK2，例如錐體細胞、PV和SST）使這些細胞能夠被N2O急性激活。通過敲低L5中內源性SK2表達后，N2O誘導的L5激活及其隨之產生的快速抗抑郁樣反應均被阻斷。綜上所述，SK2通道的抑制對于再現(xiàn)N2O對L5和VIP細胞功能的影響以及驅動其抗抑郁樣反應是十分必要的。
這些研究結果表明，N2O誘導的前額葉皮層第5層神經元活動的快速且持續(xù)的重組對其抗抑郁作用至關重要，并且這一效應涉及不同皮層細胞類型中的新穎且特定的分子機制。這種特定的分子作用為開發(fā)新的抗抑郁治療方法提供了理論基礎。
文章來源
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57951-y
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