Nature：焦虑的心如何与大脑对话

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题目：Cardiogenic control of affective behavioural state

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年3月1日

通讯作者单位：加州斯坦福大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05748-8

主要内容：

在焦虑期间，大脑会影响心脏，但心跳加速是否也会与大脑对话，从而导致与焦虑有关的行为？在小鼠身上使用的光刺激起搏器显示，它确实如此，并确定了参与其中的一个大脑区域。

你是否曾经焦虑到可以感觉到你的心脏在胸腔里跳动？这种心动过速是焦虑的主要症状之一，而且可能是如此强烈，以至于经历过的人有时会误以为是心脏病发作。实验研究揭示了许多从大脑到心脏传递信号的途径。但在临床精神病学和基础神经科学中，反过来说--心率对情绪的影响--几乎一个世纪以来一直是一个有争议的问题。Hsueh等人在《自然》杂志上撰文，探讨了这个问题，确定了大脑检测心率的机制，并展示了它如何反过来控制情绪行为。

感知是大脑对身体内部信号的持续感知，包括来自呼吸、胃肠和心脏系统的信号。在患有焦虑症的人中，对这些内部信号--尤其是心率--的敏感性发生了改变。对动物的研究强调了心脏变化和情绪状态之间的联系，但心率加快是否直接导致了焦虑仍不清楚。

到目前为止，只有非特异性电击、迷走神经刺激和药理学方法--所有这些都涉及重大的副作用--被用来增加或减少心率并评估其对情绪的影响。研究人员缺乏具有必要时间和空间分辨率的工具来充分研究心率对焦虑的影响。

作者的第一个突破是开发了这样一种工具：一个无创的光学起搏器。它的基础是向小鼠系统性地提供携带编码光敏蛋白的基因的病毒载体，即ChRmine眼素。当红光照射时，带正电的离子流经这种蛋白质，使表达它的细胞去极化。在作者的实验中，目标细胞是心肌细胞，它们的去极化会引发肌肉收缩。

通过在小鼠穿的背心上安装一个红色微型发光二极管（micro-LED），以规定的频率闪烁，作者可以应用他们的 "光遗传 "策略来控制心率（图1）。ChRmine先前已被用于精确控制大脑深层区域的特定神经回路，而不需要进行颅内手术。作者扩展了这一分子工具的应用，用它来控制整个器官的活动（来控制节奏），并确定任何心脏到大脑对焦虑的影响。

作者应用他们的方法来测试将心率增加到每分钟900次（比基线频率高36%）是否能改变自由行为小鼠的焦虑水平。作者使用了两种方法来评估焦虑--将动物放在一个迷宫中或一个开放的场地中，这两种方法都包括安全区和暴露区。作者发现，在这两种方法中，光学诱导的心动过速导致了对暴露区域的更大回避，反映了焦虑相关行为的增加。这是一个明确的证明，至少在小鼠中，心率可以影响焦虑，并且可能也可以影响其他情绪行为。

为了研究这种心动过速诱导的焦虑的神经生物学基础，Hsueh等人在光学诱导的心动过速15分钟后进行了大脑活动的筛选。神经元的全脑图谱显示了对心动过速反应的基因表达的变化。作者发现，两个区域的神经元--后脑岛皮层（posterior insula）和脑干--被强烈激活。活体小鼠的电生理记录也显示，在光学诱导的心动过速期间，后脑岛的神经元的发射率增加。

岛状皮层参与了感觉处理和焦虑相关行为。在这个阶段，作者已经发现在心率增加后，后脑岛的活动有了相关的增加。但该区域是否参与心动过速引起的焦虑仍有待确定。为了研究这个问题，作者使用不同的光敏蛋白--蓝光敏感蛋白iC++--对后脑岛神经元进行光遗传抑制。

在此过程中，他们有了第二个发现：在光学起搏过程中对后脑岛的抑制减少了由心动过速引起的焦虑行为。这表明后部岛叶传递有关心率的信息以影响焦虑。这种减弱是针对后脑岛的，而在光遗传学抑制不同的区域，即内侧前额叶皮层时没有观察到。

因此，总的来说，作者发现，心率的增加会促进小鼠的焦虑相关行为，而这是通过激活包括后脑岛在内的特定大脑结构而介导的。作者的综合研究提出了新的问题，并开辟了研究领域。例如，使后脑岛被心动过速激活的神经回路和机制--以及诱发焦虑行为的回路--尚待确定。

另一个未探索的方面是几天（或几周）的光诱导心动过速的长期影响--这是一个具有实质性临床意义的问题。这项研究为测试心率的长期增加是否会诱发大脑的长期变化奠定了基础，这可能是有害的焦虑水平的基础。测试这一假设将带来技术上的挑战，因为这里使用的微型LED背心并不适合如此长时间的刺激。

最后，从转化和治疗的角度来看，也许可以设计实验来略微降低心率。这种变化会减少与焦虑有关的行为吗？作者的工作提供了研究这一前景的手段。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05748-8

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