Мыши с дефицитом кальция в астроцитах, Itpr2-/-, демонстрировали ожидаемое депрессивно-подобное поведение в тесте с подвешиванием хвоста (TST) и FST (рис. S1, A и B), как мы показали ранее (13). Чтобы выяснить, вносит ли дисфункция астроцитов вклад в нарушения связности при депрессии, мы сначала изучили, как снижение астроцитарной активности Ca²⁺ влияет на rsFC, сравнив rsFC всего мозга между Itpr2-/- и мышами дикого типа (WT). Мы провели independent component analysis (ICA) всех данных rsfMRI и выявили 53 надежных компонента rsFC (рис. S2A). На основе этих компонентов rsFC, выявленных с помощью ICA, и атласа 94 пространственно разделенных и лево-право-симметричных отделов мозга (т.е. 47 областей мозга) были определены как области интереса (ROIs) для расчета матриц парной корреляции (рис. S2B и таблица S1).

Межгрупповое сравнение матриц парных корреляций всего мозга выявило значительные изменения в rsFC всего мозга у мышей Itpr2-/- по сравнению с мышами WT (рис. 1, A и B). Мы проранжировали ROIs в порядке общих изменений связности, связанных с каждым ROI, которые были оценены как "индекс модуляции узлов" (NMI) от среднего размера эффекта (D Коэна) изменения rsFC (28, 29). Восемнадцать ROI продемонстрировали сильный эффект с NMI более 0,7 (рис. S3, E и F) (28, 29). Эти 18 ROI соответствовали субрегионам в медиальной PFC (mPFC), TH, Str, соматосенсорной коре (SsCx), хабенуле (Hb), AMY, dorsal raphe nucleus (DRN), зрительной коре (VCx), верхнем колликуле (SC) и передней доле мозжечка (Ant; рис. 1C и рис. S3F), которые, как было показано ранее, связаны с депрессией (далее именуемые сетями, связанными с депрессией) (13, 14, 30, 31). HP и вентральная тегментальная область (VTA), два других ключевых центра депрессии (2), не показали очевидных изменений в их rsFC с другими областями мозга (рис. 1, A и B, и рис. S3F).



Fig. 1. Brain-wide functional connectivity mapping of Itpr2-/-and WT mice by rsfMRI.

(A and B) Intergroup statistical comparison of rsFC of Itpr2-/- and WT mice (n = 11 and 13 mice for Itpr2?/?Itpr2-/- and WT mice, respectively), shown as matrix (A) and network graph (B). The nodes correspond to 47 brain regions detected from ICA (listed in table S1). Independent sample t test, P < 0.05, false discovery rate (FDR) correction for multiple comparisons; only the significantly changed pathways (FDR-corrected P < 0.05) are shown. (C) The 47 brain regions are ranked in the order of the overall rsFC changes, and the top 18 ROIs (mean effect size > 0.7) are shown in (C) to (E). The effect size matrix (D) and schematic diagram (E) showing the changed rsFC between top 18 ROIs. MCx, motor cortex; ACx, auditory cortex; ICx, insular cortex; Cg/Rs, cingulate/retrosplenial cortex; OCx, orbital cortex; Acb, accumbens nucleus; LS, lateral septal nucleus; Hb, habenular nucleus; IC, inferior colliculus; IL, infralimbic cortex; PrL, prelimbic cortex; CM, central medial thalamus nucleus. For the abbreviation details, see table S1.

Для количественной оценки изменения rsFC среди наиболее пораженных областей мозга у мышей Itpr2-/- мы рассчитали размер эффекта (мыши Itpr2-/- по сравнению с мышами WT) в сетях, связанных с депрессией (рис. 1D). Анализ размера эффекта показал, что rsFC был заметно снижен в mPFC-Str, mPFC-AMY, mPFC-SsCx, mPFC-VCx, TH-Str, TH-AMY, TH-SsCx, TH-VCx, Str-SC, Str-Ant, SsCx-SC, Ant-SsCx, AMY-SC, Ant-VCx, Hb-Str, Hb-AMY, Hb-SsCx, Hb-VCx, DRN-Str, DRN-AMY и DRN-VCx пути у Itpr2-/- мышей по сравнению с мышами WT (рис. 1, D и E). В то время как нокаут IP₃R2 увеличил rsFC в путях DRN-Ant, mPFC-DRN, DRN-TH, Hb-SC и SsCx-VCx (рис. 1, D и E)... Эти результаты показывают, что дисфункция астроцитов может привести к нарушениям связности в масштабах всего мозга, что предсказывает депрессивно-подобное поведение, особенно в сетях, связанных с депрессией...

Fig. 2. Attenuated rsFC in MDD patients consistent with that in Itpr2-/- mice.

Здесь мы показали, что у мышей Itpr2-/- снижена показатели rsFC в сетях, связанных с депрессией. У пациентов с MDD наблюдались высоко согласованные изменения rsFC с Itpr2-/- мышами. Мы смогли частично восстановить эту сигнатуру путем активации астроцитов. Более того, усиление rsFC, связанных с mPFC, с помощью оптогенетической стимуляции, особенно rsFC mPFC-Str, сопровождалось улучшением при депрессивно-подобном поведении у мышей Itpr2-/- Эти результаты показывают, что дисфункция астроцитов приводит к аберрантным связям на МРТ при депрессии. Наша работа дает ранее неизвестное и механистическое представление о вероятной причинно-следственной связи между астроцитарными механизмами и аберрацией сети, измеренной с помощью МРТ, при депрессии.

Многие исследования изучали сети rsfMRI как у пациентов с депрессией, так и на животных моделях, получая высоко достоверные количественные и объективные измерения, которые могут быть полезны в тераностике (theranostic) (2, 32, 38, 39). Однако связь между дисфункцией астроцитов и этими измерениями rsfMRI при депрессии остается неизвестной. Наши результаты показали, что аберрантные связи на rsfMRI у мышей Itpr2-/- могут быть частично восстановлены путем специфической активации астроцитов с помощью оптогенетической стимуляции. Мы пришли к выводу, что дисфункция астроцитов представляет собой фактор, способствующий развитию аномалий связи на МРТ при депрессии. Этот вывод согласуется с результатами работы, показавшей, что гены, специфичные для астроцитов, имеют сильную пространственную связанность с изменчивостью связи на МРТ при депрессии (17).

В настоящем исследовании модуляция связи rsfMRI в путях, связанных с депрессией (например, пути mPFC-Str), повлияла на депрессивно-подобное поведение у мышей Itpr2-/-, что подтверждается предыдущими нейровизуализационными исследованиями у человека (2, 39, 40). Например, rsFC между vmPFC и вентральным Str был снижен у пациентов с депрессией (40-43) и увеличивался после эффективного лечения депрессии (44). Отметим, что хотя об увеличении rsFC между mPFC и Str при MDD также сообщалось (11, 45), это расхождение может быть связано с небольшим размером выборки (2) или разным выбором ROI (39). В нашем исследовании было выявлено снижение rsFC mPFC-Str у пациентов с MDD при большом объеме выборки (n = 1080 пациентов; n = 931 контроль) и двух различных схемах парцелляции ROI, что подтверждает наши результаты на животных моделях с дисфункцией астроцитов. Мы обнаружили, что усиление rsFC mPFC-Str посредством оптогенетической активации нейронов mPFC или пути mPFC-Str спасало от депрессивно-подобного поведения у мышей Itpr2-/-, но не влияло на поведенческие показатели мышей WT. Другое оптогенетическое исследование на нормальных крысах показало снижение предпочтения сахарозы и социального взаимодействия после асинхронного усиления возбудимости mPFC с помощью опсинов со ступенчатой функцией (SSFO) (31). Противоречивые результаты могут быть связаны с различными частотами модулированной активности нейронов в mPFC и нижележащих областях (46), т.е. усиление гамма-активности на 70-80 Гц после активации SSFO (31) по сравнению с прямой активацией нейронной активности на 10 Гц в нашем исследовании. Тем не менее, наблюдаемый нами антидепрессивный эффект 10-Гц стимуляции mPFC согласуется с результатами предыдущих исследований как у пациентов с депрессией, так и на животных моделях (47-49). Вместе взятые, наши результаты раскрывают астроцитарный механизм, лежащий в основе снижения частоты mPFC-Str rsFC при депрессии. Мы предполагаем, что функция астроцитов может служить мишенью для нормализации аберрантных сетей функциональных связей в масштабах всего мозга для улучшения поведенческого дефицита при депрессии. Наш интегративный подход, сочетающий нейровизуализационные наблюдения у человека, генную нокаут-модель животных, rsfMRI , оптогенетическую стимуляцию и поведенческие тесты, позволяет раскрыть механизмы, лежащие в основе нейровизуализационных наблюдений у человека при депрессии и, возможно, других психических заболеваниях.

Области мозга с заметно измененной связью на rsfMRI у пациентов с MDD и мышей Itpr2-/- могут быть связаны с депрессией (2, 13, 14, 38, 42), такие как mPFC, TH, Str, AMY, SsCx, VCx, SC, Hb, DRN и Ant (рис. 1 и 2). Эти области критически вовлечены в процессы позитивного аффекта и мотивации (mPFC и Str), негативного сенсорного и эмоционального опыта (AMY, SsCx, VCx, Hb и DRN) и процессы отвращения (SC и TH), каждый из которых может влиять на поведение в условиях депрессии (50). Наши результаты и предыдущие исследования показали, что mPFC/vmPFC является одним из наиболее стабильно нарушенных регионов при депрессии (2, 39). В дополнение к снижению rsFC mPFC-Str, о котором говорилось выше, снижение rsFC mPFC-AMY также постоянно регистрировалось у пациентов с MDD в предыдущих исследованиях (39, 51), что подтверждает наши результаты. Мы обнаружили, что rsFC между vmPFC и TH была снижена у пациентов с MDD, как и в предыдущем исследовании (10), но не изменена у мышей Itpr2-/- Возможно, rsFC этой цепи может быть изменена только в некоторых подгруппах депрессии (10). Более того, мы обнаружили, что rsFC путей TH-AMY и TH-Str была снижена как у пациентов с MDD, так и у Itpr2-/- мышей, что согласуется с предыдущими данными о том, что депрессия связана с пониженной коннективностью TH, AMY и Str (10, 39). Примечательно, что мы обнаружили изменения rsFC в соматосенсорной и зрительной коре как у пациентов с MDD, так и у мышей Itpr2-/-, что может быть связано с экстероцептивными изменениями при депрессии, такими как повышение толерантности к боли при экстероцептивной стимуляции (52) и снижение зрительной контрастной чувствительности (53). Наши результаты, полученные на мышах Itpr2-/- и предыдущие исследования показали, что дисфункция многих небольших подкорковых областей, таких как Hb и DRN, играет важную роль в развитии депрессии (14, 54, 55). Из-за ограниченного пространственного разрешения трудно исследовать данные rsfMRI человека для изучения роли этих областей при депрессии, что подчеркивает важность исследований на животных (2).

В данном исследовании мы использовали оптогенетическую стимуляцию для селективного манипулировать активностью mPFC, а не других областей мозга в сетях, связанных с депрессией, поскольку предыдущие исследования и наши результаты (рис. 1 и 2) предполагают, что mPFC демонстрирует наиболее последовательные и заметные изменения rsFC, связанные с дисфункцией астроцитов при депрессии. С одной стороны, предыдущие посмертные анализы пациентов с MDD и исследования на животных постоянно обнаруживали астроцитарные аномалии, такие как морфологические и численные изменения, в PFC (13, 16, 18). Между тем, PFC является одним из регионов, в котором наблюдаются весьма последовательные заметные изменения rsFC при депрессии (2, 39), а также является эффективным целевым регионом для лечения депрессии с помощью нейромодуляционной терапии (12). С другой стороны, результаты rsfMRI у мышей Itpr2-/- показали, что mPFC имеет наибольшие изменения rsFC (IL ранг 1 и PrL ранг 3), что коррелирует с депрессивно-подобным поведением (рис. 1С и рис. S1D). Объединив результаты rsfMRI у мышей Itpr2-/- и пациентов с MDD, мы обнаружили, что пути rsFC, связанные с mPFC, являются наиболее последовательно измененными путями. Наши результаты показали, что оптогенетическая активация активности mPFC может восстановить rsFC в связанных с mPFC путях и облегчить депрессивно-подобное поведение у мышей Itpr2-/- Однако мы не исключаем, что оптогенетические манипуляции в других регионах могут вызвать спасительный эффект из-за потенциально аналогичного вклада астроцитов в регуляцию сетевого гомеостаза в сетях, связанных с депрессией. PFC человека состоит из множества отделов и гораздо сложнее, чем mPFC грызунов. До сих пор было показано, что только подразделение vmPFC в PFC человека имеет гомологичную структуру в mPFC грызунов (33, 34). Руководствуясь хорошо контролируемыми результатами анализа rsFC в mPFC грызунов, наше исследование было сосредоточено на анализе rsFC в путях, связанных с vmPFC, у пациентов с MDD. Однако мы не исключаем, что rsFC в других отделах PFC человека (т.е. помимо vmPFC) также может быть изменена. Предыдущие исследования показали, что некоторые другие отделы PFC человека (например, dlPFC: цитоархитектонические области Бродмана 9, 46) также демонстрируют астроцитарные аномалии и изменения rsFC у пациентов с MDD (2, 16). Хотя эти подразделения не имеют гомологичных структур в мозге мыши (33, 34), наше исследование предоставляет ценный подход для будущих оптогенетических исследований rsfMRI в других животных моделях, имеющих эти подразделения, например, у нечеловекообразных приматов.

Данные посмертного анализа пациентов с MDD показали, что астроцитарные аномалии в основном локализованы в PFC (vmPFC, dlPFC и ACC), TH, AMY и Str (15, 16, 18). Исследования астроцитарной функции у грызунов подтверждают эту идею, показывая, что дисфункции астроцитов в mPFC (13, 55), AMY (56, 57), Hb (14, 54), Str (58) и DRN (55) вызывают депрессивно-подобное поведение у животных. Высокое соответствие между регионами мозга, о которых сообщалось в нашем исследовании rsFC, и регионами с астроцитарными аномалиями, о которых сообщалось в посмертных анализах пациентов с депрессией (15, 18), указывает на то, что депрессивная симптоматика и снижение связности rsfMRI у пациентов с MDD по крайней мере частично обусловлены дисфункцией астроцитов. Эти данные продвигают наблюдения нейровизуализации человека к выявлению механизмов, лежащих в ее основе. Тем не менее, наши результаты, вероятно, имеют ограничение, характерное для всех нейровизуализационных исследований: хорошо охарактеризованные нейровизуализационные сигнатуры, лежащие в основе депрессии, не могут быть сопоставлены с посмертным анализом тех же пациентов (18). В будущих исследованиях потребуются продольные исследования пациентов с MDD, объединяющие повторные нейровизуализационные наблюдения с посмертным анализом тех же пациентов.

Мы также показали, что оптогенетические манипуляции с нейронной связью влияют на rsfMRI-связь с сопутствующими изменениями в поведении у мышей Itpr2-/-(рис. 5 и 6). Эти наблюдения позволяют предположить, что удаление IP₃R2 в астроцитах приводит к нарушению функциональной сети и депрессивному поведению, вероятно, через изменения в нейронной связи (59). Предыдущие исследования подтверждают эту идею (60), показывая, что ослабление IP₃-опосредованной астроцитарной передачи сигналов уменьшает астроцитарное покрытие синапсов (61). Мыши с нокаутом IP₃R2 не смогли модулировать синаптическую передачу и пластичность (26, 27, 62-64). В конечном итоге, эти нокаутные мыши не смогли соединить разобщенные цепи нейронов на своей территории (60). Эти наблюдения подтверждают точку зрения, согласно которой дисфункция астроцитов, вызванная нокаутом IP₃R2, приводит к дезадаптивным взаимодействиям между астроцитами и нейронами, что может способствовать этиологически значимому нарушению связи на МРТ и поведению, связанному с депрессией, у мышей Itpr2-/- Предыдущее исследование показало, что колебания Ca²⁺ в нейронах коррелируют с инфранизкими колебаниями BOLD (65). Однако мы не знаем данных, позволяющих напрямую изучить связь между астроцитарной активностью и связностью rsfMRI, как в настоящем исследовании. Отметим, что наши результаты не исключают возможности того, что делеция IP₃R2 в астроцитах может привести к дезадаптивной метаболической активности (66) или изменению сосудистой активности (67), что может повлиять на колебания BOLD rsfMRI. Хотя мыши Itpr2-/- являются моделью нокаута IP₃R2 во всем мозге, измененная rsFC у мышей Itpr2-/- находится в основном в областях мозга, связанных с депрессией. Это может быть связано с региональной гетерогенностью функций астроцитов, подтипов нейронов и взаимодействия астроцитов с нейронами (68). Тем не менее, наши результаты представляют собой первое доказательство того, что астроцитарный Ca²⁺ вносит свой вклад в связь при rsfMRI как в нормальном, так и в депрессивном мозге.

В целом, наши результаты показывают астроцитарные механизмы, лежащие в основе аберраций функциональных связей МРТ при депрессии, объединяя две различные и важные концепции в патофизиологии депрессии, а именно микроскопическую дисфункцию астроцитов и макроскопические нарушения функциональных сетей, используя подходы нейромодуляции, специфичные для типа клеток, наряду с визуализацией всего мозга. Эти результаты помогут продвинуться в более конкретной и механистической интерпретации функциональных сетей, измеренных с помощью rsfMRI , как высококоличественного и воспроизводимого визуализационного биомаркера и тераностического инструмента для лечения депрессии.