杏仁核神经环路在调控焦虑行为中的作用机制研究进展

邹佳欣 张文华

南昌大学生命科学研究院恐惧与焦虑障碍研究室 330031

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(10):1108-1113.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210714-00403

 基金项目 

 国家自然科学基金（31970953）；江西省自然科学基金（20192ACB21024）

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【综述】

焦虑障碍是一类以机体对外源性和内源性刺激表现出过度恐惧、焦虑或回避行为为特征的精神疾病（包括广泛性焦虑症、社交焦虑症、创伤后应激障碍、分离焦虑症、恐慌症等） 。我国2019年精神疾病流行病学调查结果显示，焦虑障碍已成为我国发病率最高的精神疾病，12个月患病率为5.0%，终生患病率高达7.6% 。值得注意的是，当前全球新型冠状病毒肺炎疫情肆虐，更是加剧了人们的焦虑、恐惧、紧张等普遍性精神健康问题。一项大型研究发现，在感染新型冠状病毒肺炎的患者中，有20.0%在90 d内确诊患有焦虑障碍等精神疾病 。焦虑障碍的频发不仅严重影响了患者的工作和生活，同时给患者家庭和社会造成沉重负担。然而，由于发病机制不清楚，近几十年来抗焦虑药物的开发并没有实质性的突破，目前焦虑障碍的药物治疗仍然以抗抑郁药物为主 。因此，全面了解引发焦虑障碍的风险因素和解析其多维发病机制，开发更加有效的抗焦虑药物和治疗策略是当前脑科学研究的热点。

大量研究表明，位于大脑颞叶深处的杏仁核是调控负性情感的中枢。杏仁核过度激活是引发焦虑障碍的重要因素 。近年来，随着神经示踪、光遗传、化学遗传、在体光纤记录等技术的兴起，越来越多的证据显示，杏仁核内的神经元分工明确，投射至不同靶区的神经元具有明显的功能异质性 。本文将基于啮齿类动物的研究发现，概述在生理状态下与焦虑样行为调控有关的杏仁核环路，并进一步探讨在应激诱发焦虑障碍的病理状态下，杏仁核环路在结构、功能、分子水平的变化，并对未来深入研究焦虑障碍的环路机制作出探讨和展望。

1 杏仁核的结构及连接特性      

19世纪早期，Burdach 首次发现大脑颞叶深部存在一个形似杏仁状的区域，并命名为杏仁核 。进一步研究发现，杏仁核可被细分为13个亚区，它们共同组成杏仁核复合体 。总体而言，杏仁核主要核团包括基底外侧杏仁核（basal lateral amygdala, BLA）、中央杏仁核（central amygdala, CeA）以及内侧杏仁核（medial amygdala, MeA）3个核团（图1）。其中BLA可进一步划分为外侧核（lateral amygdala, LA）和基底核（basal amygdala, BA），CeA可细分为内侧中央核（medial division of the central amygdala, CeM）和外侧中央核（lateral division of the central amygdala, CeL）。就神经元组成而言，BLA由谷氨酸能神经元（约占85%）和γ‑氨基丁酸能神经元组成。CeA和MeA主要由γ‑氨基丁酸能神经元组成。此外，BLA和CeA之间还存在一类γ‑氨基丁酸能神经元核团，称为闰细胞，为BLA和CeA提供前馈抑制信号 。

杏仁核作为大脑的情感中枢，与脑内众多脑区存在广泛的功能连接，同时杏仁核内亚核团之间又形成内部联系，共同构成杏仁核神经环路 。这些复杂的环路连接为杏仁核调控情感反应提供了精细的结构基础。

2 生理状态下杏仁核环路对焦虑行为的编码      

在中枢神经系统中，神经元的连接特性决定了其功能。大脑边缘系统对感觉信息处理、情绪产生和行为调控具有重要作用。杏仁核作为关键的边缘脑区，在大脑中与其他脑区形成了广泛的连接，这些不同的环路连接在调控焦虑行为中具有不同乃至截然相反的作用。

2.1　杏仁核‑内侧前额叶皮质（medial PFC, mPFC）环路

前额叶皮质（prefrontal cortex, PFC）是大脑中调节情感功能的重要脑区之一，前额叶对杏仁核“自上而下”的输入对于维持正常的情感活动具有十分重要的作用 。在动物研究中发现，mPFC与杏仁核之间存在致密的相互投射 ，这些交互投射参与了动物焦虑行为的调控。例如，光遗传激活BLA→mPFC投射能够增加小鼠焦虑样行为，而光遗传抑制BLA→mPFC投射则减少小鼠焦虑样行为 。同样，mPFC→BLA投射在生理状态下对小鼠的焦虑样行为也具有调节作用，并且显示出亚区特异性。其中，激活腹侧mPFC（ventral mPFC, vmPFC）→杏仁核投射能够显著降低小鼠的焦虑样行为，抑制vmPFC→杏仁核环路神经元则能显著增加小鼠的焦虑样行为，而激活或是抑制背侧mPFC（dorsal mPFC, dmPFC）→杏仁核投射则不影响小鼠焦虑样行为 。

2.2　BLA‑腹侧海马（ventral hippocampus, vHPC）环路

海马是调节学习记忆的经典脑区，近年来研究发现海马在情感编码中起重要作用，其功能异常与多种精神疾病的发生有关。杏仁核与海马之间的功能连接与焦虑情绪的产生密切相关 。啮齿类动物研究发现，杏仁核脑区对于vHPC产生了致密的单突触谷氨酸能投射，激活BLA→vHPC投射能够增加小鼠焦虑样行为 。不同空间位置的杏仁核对海马的支配在焦虑行为的调控中具有截然不同的作用。光遗传激活头侧BLA→vHPC投射能够增加小鼠的焦虑样行为，而光遗传激活尾侧BLA→vHPC投射却能降低焦虑水平 。这种不同调节方式可能与BLA支配不同vHPC区域神经元有关，其中头侧BLA主要支配vHPC（CA1区）深层的钙结合蛋白（calbindin1, Calb1）阴性［Calb1（−）］神经元，而尾侧BLA则主要支配vCA1浅层的Calb1阳性［Calb1（+）］神经元。海马中Calb1（−）和Calb1（+）神经元支配了不同的下游神经元集群，可能介导了不同的行为调控。例如，最近一项研究表明，激活vHPC中Calb1（−）或者Calb1（+）神经元至PFC的投射分别促进了小鼠的趋近和回避行为，提示Calb1（−）和Calb1（+）神经元可能支配了PFC中不同的神经元集群 。

值得注意的是，尽管vHPC对BLA同样具有单突触谷氨酸能投射，但研究发现，vHPC→BLA投射在生理状态下并不参与焦虑样行为的调控 ，而主要参与恐惧相关行为的调控 。这些发现提示杏仁核与海马的环路连接中，BLA→vHPC单向投射参与调控焦虑行为。

2.3　BLA‑终纹床核（bed nucleus of the stria terminalis, BNST）环路

BNST是一个与适应性、病理性焦虑密切相关的脑区 。BNST与杏仁核存在广泛的连接，被誉为延伸的杏仁核。BNST包含两个亚区——前背侧BNST（anterodorsal bed nucleus of the stria terminalis, adBNST）和椭圆形BNST。BLA的投射纤维选择性发布于adBNST中，并且参与焦虑行为的调控。激活BLA→adBNST投射具有抗焦虑作用，可以降低小鼠的焦虑样行为。相反，抑制BLA→adBNST具有促焦虑作用，可以增加小鼠焦虑样行为 。此外，有研究提示BLA→BNST投射中强啡肽信号可能参与生理状态下小鼠焦虑样行为的调控。强啡肽是一种异突触信使，作用于突触前强啡肽受体后可以抑制谷氨酸释放。BNST内的强啡肽能够选择性对BLA→BNST的谷氨酸能突触产生抑制作用，而对mPFC→BNST无抑制作用。且BLA内敲除强啡肽受体有效降低了小鼠焦虑水平，产生抗焦虑作用 。但该抗焦虑作用是否由BLA→BNST环路强啡肽受体介导仍不清楚。

2.4　蓝斑核（locus coeruleus, LC）‑BLA环路

LC是一个位于脑干的核团。LC内含有去甲肾上腺素合成神经元，这些神经元在整个中枢神经系统中存在广泛投射。LC‑去甲肾上腺素系统在唤醒、注意和应激反应中具有重要作用 。研究发现，LC对BLA的去甲肾上腺素能支配可调控焦虑行为。光遗传激活LC→BLA投射能够显著增加BLA内去甲肾上腺素的水平，同时小鼠的焦虑样行为也显著增加。该研究还发现激活LC→BLA投射后BLA神经元的c‑Fos表达水平增加，并且这种c‑Fos表达水平增加更多出现在BLA中投射至vHPC及CeA的神经元中 。提示体内的神经调质系统可能参与应激所致的BLA内不同投射靶区特异性神经元功能的差异化调控，但其分子机制尚不清楚。

2.5　CeA相关环路

CeA是杏仁核的主要输出部位，其输入和输出环路在焦虑行为的调控中具有关键作用。

BLA是CeA的重要输入来源之一，BLA对CeA的谷氨酸能投射传递重要的情感信息。研究表明，光遗传激活BLA→CeL投射能够显著降低小鼠的焦虑水平，而光遗传抑制BLA→CeL投射则显著增加小鼠的焦虑水平 。从解剖学来说，这可能是因为CeL对CeM是γ‑氨基丁酸能的投射，激活BLA→CeL投射后CeM对下游的支配受到抑制作用 。除杏仁核内部的输入，臂旁核（parabrachial nucleus, PBN）作为感觉信息传递的重要脑区，同样对CeA具有谷氨酸能的支配作用。研究表明，PBN对于CeA的谷氨酸能投射在生理状态下对焦虑行为具有调控作用，光遗传激活PBN→CeA投射能够显著增加小鼠的焦虑样行为 。

CeA输出环路中，LC是与焦虑行为密切相关的脑区之一。CeA对LC的投射在生理状态下对焦虑行为具有调控作用。一项研究发现，CeA中表达促肾上腺皮质激素释放激素（corticotropin releasing hormone, CRH）的神经元（CRHCeA）会投射至LC，化学遗传激活CRHCeA→LC投射显著增加小鼠焦虑样行为，并且使LC区域的c‑Fos表达水平增加 。而前文也提到LC→BLA投射的激活能够增加小鼠焦虑样行为，这提示LC‑BLA‑CeA的环路激活具有促焦虑作用，并且该环路激活可能在焦虑状态的维持中具有重要作用。

研究表明，中央近管状延伸杏仁核（central sublenticular extended amygdala, SLEAc）是与恐惧和焦虑情绪密切相关的脑区 。近期研究表明，CeL至SLEAc投射参与小鼠焦虑样行为的调控，光遗传或化学遗传激活CeL中表达生长激素抑制因子的神经元至SLEAc的投射可以增加小鼠的焦虑样行为 。

3 病理状态下杏仁核环路对焦虑行为的编码      

过度应激暴露是引发病理性焦虑的重要因素。大量研究表明，前额叶、海马、杏仁核神经元结构及功能变化与焦虑障碍的发生密切相关 。近期一系列研究显示，应激可以通过影响杏仁核与前额叶、海马等脑区的功能连接介导焦虑样行为的产生。

3.1　BLA‑PFC环路

生理情况下，前额叶对杏仁核“自上而下”的抑制作用使杏仁核处于一种高度抑制状态，这对机体维持正常的情绪行为具有重要作用。而在应激暴露时，前额叶对杏仁核的抑制作用减弱，导致杏仁核的过度激活，进而引发过度焦虑等精神疾病。例如，经历慢性不可预见应激后，大鼠mPFC对BLA中间神经元支配作用减弱，BLA锥体神经元产生去抑制，由此引起认知和情绪相关行为的改变 。研究证据显示，慢性束缚应激（chronic restraint stress, CRS）后小鼠dmPFC→BLA投射的谷氨酸能的兴奋性输入增强，而抑制性输入保持不变，由此弱化了dmPFC对BLA投射神经元的抑制性调控。慢性应激对BLA内来自vmPFC和vHPC的输入无明显影响。进一步研究发现，其对dmPFC→BLA环路的弱化效应在不同BLA锥体神经元（BLA pyramidal neurons, BLA‑PNs）间亦存在着显著区别：即主要发生在仅单向接收dmPFC输入的神经元中（dmPFC→BLA‑PNs），而非与dmPFC交互投射的神经元中（dmPFC↔BLA‑PNs） 。上述突触传递效能增强是由dmPFC→BLA环路突触前谷氨酸释放概率增加所致，通过低频光遗传刺激减弱CRS组小鼠dmPFC→BLA环路突触前谷氨酸释放概率，能够有效减少小鼠应激引发的焦虑样行为 。这说明前额叶对杏仁核的兴奋性/抑制性输入平衡对于维持正常的情绪行为具有重要作用，应激后兴奋性/抑制性输入失衡造成杏仁核过度激活，导致焦虑行为的产生 。但这种突触效能增强的环路分子机制尚未被阐明。

慢性应激同样会通过影响BLA→dmPFC环路功能调节焦虑样行为。有研究表明，CRS后，dmPFC内来自BLA脑区的谷氨酸能输入突触前释放概率增加，伴随小鼠焦虑样行为的增加，而这种现象在接收BLA投射的伏隔核和BNST中并未发现。通过光遗传刺激增加BLA→dmPFC环路突触前谷氨酸的释放概率，能够增加小鼠焦虑样行为 ，提示BLA→dmPFC环路突触效能的增强可能参与CRS所致焦虑样行为。最近一项研究对急性应激后BLA→dmPFC环路功能变化进行了更加深入的探究。该研究发现，急性足底电击暴露后，小鼠BLA→dmPFC环路突触前谷氨酸释放概率增加。进一步研究发现这种突触前释放概率的增加具有环路选择性，这种突触效能增强发生在dmPFC中投射至BLA的神经元中，而不是dmPFC中非投射至BLA的神经元，由此导致BLA‑dmPFC‑BLA环路的突触效能增强，进而引发小鼠焦虑样行为。该研究对这种突触效能增强的机制进行了深入探究，发现急性足底电击后前额叶2‑花生四烯酸甘油合成减少，内源性大麻素信号通路介导的突触前抑制作用减弱，导致BLA→dmPFC环路突触效能增强 。综上所述，杏仁核BLA区和前额叶的相互连接在应激诱发的焦虑样行为中发挥了重要作用。

3.2　BLA‑vHPC环路

人颅内脑电记录研究表明，杏仁核与海马之间的功能连接状态与焦虑水平密切相关 。而动物研究同样发现，杏仁核与海马之间的环路功能重塑在应激诱发过度焦虑的过程中扮演了重要角色。研究表明，CRS引起小鼠杏仁核中BLA→vHPC神经元的小电导钙激活的钾离子通道功能减弱，致使其神经元兴奋性显著升高，上调了它们对外界输入信息的放电能力。恢复BLA→vHPC神经元上的小电导钙激活的钾离子通道功能不仅阻止了慢性应激对细胞活动的影响，亦可缓解应激所致的过度焦虑 。另一项研究发现，CRS显著增加了BLA→vHPC神经元兴奋性突触传递，同时还伴随着神经元树突分枝增多，树突棘密度增加，且这种变化与应激所致的过度焦虑显著正相关 。值得注意的是，CRS对BLA→dmPFC及BLA→伏隔核神经元兴奋性或结构则无显著影响 。这些结果提示应激对杏仁核的结构和功能重塑具有环路选择性，其中，BLA→vHPC神经元是介导应激反应的关键神经元，但这种环路选择的分子机制仍有待进一步阐明。

3.3　CeA‑BNST环路

CeA与BNST之间的环路连接功能变化在应激诱发过度焦虑中发挥了重要作用。CeA中存在大量促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin releasing factor, CRF）免疫反应阳性的神经元。研究表明，CRFCeA神经元的激活参与了急性束缚应激介导的焦虑样行为。进一步的环路研究发现，这种焦虑行为的调控作用依赖于CRFCeA对背外侧BNST（dorsal lateral BNST, dlBST）中CRF神经元（CRFdlBST）的支配作用。通过化学遗传抑制CRFCeA→CRFdlBST投射能够逆转急性束缚应激诱发的小鼠焦虑样行为，而激活CRFCeA→CRFdlBST投射则能直接增加小鼠的焦虑样行为 。

4 现状和展望     

杏仁核作为调控情感行为的重要枢纽，在焦虑行为的调控以及焦虑障碍的发生过程中发挥了关键作用。传统观点认为杏仁核BLA区主要接收应激相关的情感信息，然后通过CeA进行整合并输出至下丘脑、脑干的自主神经核等脑区调控应激反应。近年来随着光遗传、化学遗传、光纤记录、神经环路示踪等新兴技术在神经科学的应用，人们发现前额叶皮质‑杏仁核‑海马环路结构与功能异常在应激引发过度焦虑中发挥了重要作用，这些发现有助于明晰应激引发焦虑障碍的脑机制，并为针对相关精神疾病的精准治疗提供了重要理论基础和参考。值得注意的是，仍有一系列问题亟待解决。例如，在应激引发焦虑障碍的病理进程中，应激通过何种分子机制仅对杏仁核内特定神经环路产生结构与功能的影响？此外，不同个体所采取的应激应对策略千差万别，应激应对个体差异的产生是否与上述杏仁核内特定环路的可塑性变化有关？未来对个体应激应对差异产生的环路机制研究无疑将会为阐明应激相关疾病的发生机制及探索个体化、精准化防治策略提供重要线索。