创伤后应激障碍（PTSD）是一种严重的精神病理，由极度厌恶的事件引发，在创伤经历后的几个月到几十年的时间里，这些事件会加剧恐惧反应。这种长期的恐惧行为异常使PTSD患者容易患上精神疾病，如重度抑郁症，从而导致高自杀率，因此，PTSD患者恐惧记忆的延迟消退被认为是该疾病病程延长的核心诱因。大脑作为记忆的控制中心，探索大脑区域的功能可能揭示PTSD患者延迟恐惧记忆消退的潜在机制。
2023年12月16日，空军军医大学武胜昔团队在Advanced Science在线发表了题为“Restoring the Function of Thalamocortical Circuit Through Correcting Thalamic Kv3.2 Channelopathy Normalizes Fear Extinction Impairments in a PTSD Mouse Model”的文章，报道了MD-ACC丘脑皮层环路参与调控PTSD过度防御行为，并进一步阐述丘脑皮层环路如何参与调控PTSD异常恐惧记忆消退的神经机制。
作者建立了单次延长应激和足底电击（SPS&S）的PTSD小鼠模型，该模型已被验证能有效地复制PTSD患者的临床症状（图1A）。PTSD小鼠的恐惧消退能力是通过训练它们将以音调为代表的条件刺激（CS）与以足部电击为代表的非条件刺激（US）联系起来来评估的。间隔48 h后，将小鼠暴露于无US的CS中30次。对照小鼠（SPS&S假手术组）静止时间逐渐减少，提示恐惧记忆消退成功，相比之下，PTSD小鼠持续表现出较高的静止时间，表明恐惧消退受损（图1B）。Arc 是一种在神经元中表达的基因， mRNA 聚集于树突，其浓度与神经元活动高度相关，结果显示PTSD小鼠的MD中Arc+神经元数量增加（图1C，D）。
此外，作者对MD神经元进行了全细胞膜片钳记录，发现PTSD小鼠的MD神经元的放电峰数量明显高于WT小鼠（图1E-G）。综上所述，PTSD模型小鼠的MD神经元被过度激活。
图1：PTSD模型小鼠MD神经元被过度激活
为了探究PTSD小鼠MD过度激活的作用，作者使用光纤记录法记录PTSD小鼠体内MD钙信号。作者将AAV2/9-hSyn-GCaMP6s单侧注射到PTSD和WT小鼠的MD中，随后在中脑皮层植入一根光纤，并捕捉行为视频，以分析中脑皮层活动与恐惧反应之间的相关性（图2A）。
除了行为和钙活性信息外，作者还使用了多种机器学习算法，如随机森林模型、多项式回归模型和主成分分析来解码MD活性与恐惧消退之间的关系（图2B-H）。实验结果表明，MD的活性与恐惧消退相关，PTSD小鼠MD被过度激活，恐惧消退机制受损。
图2：小鼠脑MD神经元活动与恐惧消退相关
鉴于过度激活的MD与恐惧消退的相关性，作者使用光遗传抑制MD的活性，探究MD的抑制是否可以促进PTSD小鼠的恐惧消退。将光遗传抑制病毒AAV2/9-hSyn-eNpHR3.0-EYFP 或对照病毒AAV2/9- hSyn-mCherry注入MD（图3A，B），为了验证eNpHR的有效性，作者使用全细胞膜片钳技术记录了黄光（590 nm）刺激后MD神经元的放电情况，在黄色激光刺激下，MD神经元的放电立即被抑制（图3D）。
实验结果表明，光遗传抑制MD神经元显著减少了PTSD小鼠在恐惧消退的静止时间（图3E，F），并在再测试中降低静止时间（图3G）。这些观察结果表明，抑制MD神经元活动可以促进PTSD小鼠的恐惧消退。
图3：利用光遗传抑制MD神经元活性，能够促进PTSD小鼠恐惧消退
为了确定在恐惧消退过程中与MD相关下游脑区的效应，作者使用Fos-TRAP策略结合顺行追踪。在Fos-CreERT2小鼠的MD中注射AAV2/9-hSyn-hChR2(H134R)-EYFP，在第七天使用他莫昔芬诱导表达，结果显示ACC脑区也有密集的绿色轴突信号（图4B-C）。另外，作者利用RV逆向跨单系统，将狂犬病毒（RV-EnvA-ΔG-eGFP）注射到ACC中，观察到MD中绿色荧光标记的神经元，进一步说明MD为ACC的上游脑区（图4D-F）。
图4：在恐惧消退过程中，MD投射到ACC的PV+神经元中
为了研究了MD和ACC之间的连接是否会影响ACC的局部微环路，由于局部微环路的改变首先观察到的是不同细胞的改变。作者对PV- tdtomato转基因小鼠的锥体神经元（PyN）和PV+中间神经元进行了双全细胞记录，以同时测试两种类型的神经元对MD突触信息的同步反应（图5A-B）。通过测量配对脉冲比PPR，发现对照组小鼠和PTSD小鼠的PV+细胞的PPR均低于锥体神经元（图5C-D）。通过计算从PV+中间神经元和锥体细胞中收集的PPR的百分比。PTSD小鼠的细胞对PPR低于对照组小鼠，表明PTSD小鼠ACC中PV+中间神经元的丘脑信息相对增加（图5E）。
随后，作者直接测试了来自PV+中间神经元的ACC锥体神经元的突触输入，发现PTSD小鼠的PPR降低（图5F-H）。这些结果表明，过度激活的MD神经元通过优先增加PV+中间神经元的突触输入来增强ACC的局部抑制。
图5：ACC II/III层PV+神经元的过度激活增加了锥体神经元sIPSC的频率
为了进一步验证MD下游的PV+中间神经元在调节PTSD相关的异常恐惧消退中的作用，作者进行了体内光遗传学和化学遗传学操作。对于NpHR+C21组，作者在恐惧消除过程中给予黄光（590 nm）刺激，并在恐惧消除前30分钟腹腔注射C21（C21为神经激动剂）（图6D）。EYFP+Saline和NpHR+Saline组作为对照。在恐惧消退实验中，NpHR+生理盐水组动物表现出正常的恐惧消除，而NpHR+C21组动物光遗传MD抑制的拯救作用减弱（图6E-G）。这些结果表明，PV+中间神经元的激活是MD依赖的恐惧消退调节所必需的。
图6：PTSD小鼠较高的静止水平是由MD投射的ACC中PV+神经元的过度兴奋所引起的
在这项研究中，通过解开丘脑皮质回路中复杂的相互作用，作者确定了一个新的靶点，证明过度激活的MD和受损的恐惧消退之间存在因果关系，为PTSD临床前证据支持的治疗提供见解。
本文研究所使用的来自布林凯斯的病毒产品列表如下：
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