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2023年8月14日墨西哥国家精神病学研究所Gerardo Bernabé Ramírez-Rodríguez研究团队在Cells杂志上发表文章“Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Reduces Depressive-like Behaviors, Modifies Dendritic Plasticity, and Generates Global Epigenetic Changes in the Frontal Cortex and Hippocampus in a Rodent Model of Chronic Stress”，揭示了在慢性应激模型中，重复经颅磁刺激减少抑郁样行为，改变树突可塑性，并产生额叶皮层和海马体的整体表观遗传变化。
抑郁症是全球最常见的情感障碍，占全球人口的4.4%，这一数字在未来几十年可能会有所增加。在抑郁症中，额叶皮层和海马体中的树突棘的可用性降低。此外，组蛋白修饰和DNA甲基化也是抑郁症中失调的表观遗传机制。重复经颅磁刺激是一种用于治疗抑郁症的技术。然而，其治疗效果的表观遗传学机制尚不清楚。因此，在本研究中，作者评估了5 Hz rTMS的抗抑郁作用，并检测了其在慢性轻度应激模型中对树突状重构、突触蛋白的免疫反应性、组蛋白修饰和DNA甲基化的影响。作者的数据表明，应激产生了类似抑郁的行为，经颅磁化逆转了这种效应，促进了树突状棘的形成，并有利于突触前连接，并增加了前额叶皮层和DG的突触前连接。这些结果表明，经颅磁刺激的抗抑郁作用与树突状重构有关，这可能是受表观遗传机制的调控。因此，有必要在未来的研究中分析哪些基因受到这些机制的调控，以及它们是如何与经颅磁刺激促进的神经可塑性修饰相关。
图一 重复经颅磁刺激和氟西汀逆转由慢性不可预测的轻度压力产生的抑郁样行为
与对照组小鼠相比，慢性应激小鼠的皮毛有所恶化。这一观察结果是在CUMS暴露的第二周开始发现的，在CUMS开始4周后，病情恶化的水平达到了一个平台期。在治疗第二周后，两种干预措施对CS的影响都很明显，与假手术组相比，其余治疗组仍显著降低。糖水偏好试验显示，暴露于CUMS的小鼠中存在类似的效果，在慢性应激第三周后，与对照组小鼠相比，糖水溶液消耗水平下降；CUMS引起的影响在实验的其余部分中持续存在。然而，在CUMS后的第7周和第8周，与未接受抗抑郁药物治疗的慢性应激小鼠相比，5 Hz rTMS和FLX逆转了这种快感缺乏行为。与对照组相比，假手术小鼠从第3周到第8周观察到该参数显著下降。作者评估了5 Hz rTMS在强迫游泳（FST）中的抗抑郁样作用。与对照组相比，CUMS导致不动时间增加。5 Hz经颅磁刺激逆转了CUMS引起的不动时间增加，而FLX显著逆转了静止次数的增加，并显示出减少不动时间的趋势。结果表明，5 Hz的rTMS和FLX都能逆转CUMS诱导的抑郁样行为。
图二 经颅磁刺激改变了额叶皮层锥体神经元和海马齿状回颗粒细胞中树突棘的密度和树突树的复杂性
rTMS和FLX的抗抑郁作用机制可能涉及结构神经可塑性的改变，如边缘系统的大脑结构中的树突状重构。因此，作者分析了前额叶皮层锥体细胞中树突状的复杂性。对前额叶皮层的Sholl分析显示，与对照组的非应激组相比，CUMS导致锥体细胞中引起的交集减少。5 Hz rTMS或FLX处理逆转了交叉点数量的减少。5 Hz的rTMS和FLX逆转了暴露于CUMS所导致的树突状复杂性的降低。作者还量化了前额叶皮层和DG中的树突棘的密度，长期应激小鼠的前额叶皮层和DG中的DSs密度下降。这些结果表明，5 Hz的rTMS和FLX都可以逆转了CUMS导致的前额叶皮层和DG中DSs密度的下降。与对照组相比，CUMS减少了所有类型的数量，5 Hz rTMS逆转了这一影响，但FLX倾向于逆转慢性应激的影响。此外，在所有组中，与丝状伪足和薄型相比，蘑菇状棘最为丰富。与慢性应激小鼠相比，5 Hz rTMS并没有逆转薄DSs数量的减少，但增加了丝状伪足和蘑菇DSs的数量。总之，DSs的密度和形态的结果表明，5 Hz的rTMS或FLX逆转了由CUMS产生的树突状重构的改变。蘑菇状DSs数量的增加表明，这两种干预措施，即5 Hz的rTMS和FLX，都有利于DSs参与成熟的过程。
图三 经颅磁刺激增加了突触素的免疫反应性，而不影响神经粒蛋白的免疫反应性
在这项工作中，SYP和RC3这些蛋白质的免疫反应性，作为一个间接标记的表达，评估在层II/III的前额叶皮层和分子层，前额叶皮层中的RC3和DG中的ML组间没有任何显著差异。在前额叶皮层中的SYP的情况下，与应激小鼠相比，使用5 Hz rTMS或FLX处理的小鼠中，SYP增加。在FLX的情况下，该治疗与Ctrl和rTMS组有显著差异。在DG的ML中，与假手术组相比，rTMS组SYP免疫反应性增加。这些结果表明，5 Hz rTMS和FLX两种处理均有利于位于突触前囊泡上的蛋白SYP的表达增加。
图四 重复经颅磁刺激或氟西汀对组蛋白H2B乙酰化和组蛋白H33甲基化的免疫反应性有不同的影响
为了深入了解rTMS和FLX产生的表观遗传修饰对行为和树突结构的调控，作者评估了H2BK16ac在前额叶皮层和DG中的免疫反应性。H2BK16ac被评估为与树突结构变化相关的激活表观遗传标记。为此，量化了该表观遗传标记物在前额叶皮层的II/III层和海马的DG中的免疫反应性。在前额叶皮层中，FLX增加了H2BK16ac的免疫反应性。在DG中，作者没有观察到这些组间该表观遗传标记的任何显著差异。H3K9me3在组蛋白修饰水平上被评估为一种表观遗传抑制因子标记。在前额叶皮层的II/III层，H3K9me3的免疫反应性增加。然而，FLX并没有显著地改变这个标记。在DG中，这些组间H3K9me3的免疫反应性没有显著差异。这些结果表明，慢性应激对前额叶皮层或DG中的H2BK16ac和H3K9me3没有影响。但rTMS和FLX诱导两种表观遗传标记的免疫反应性差异。
图五 经颅磁刺激增加了海马齿状回中整体和成熟神经元水平上的DNA甲基化
除了探索组蛋白的乙酰化和甲基化过程外，作者还分析了DNA甲基化，这是前额叶皮层和DG中主要的抑制因子表观遗传标记的一部分。然后，将海马的前额叶皮层和DG中5mC的免疫反应性作为甲基化指标，5hmC作为去甲基化指标。5mC在前额叶皮层中的免疫反应性在两组间没有任何显著差异。然而，在DG中，与对照组相比，rTMS增加了该标记物的免疫反应性。与对照组相比，CUMS降低了5mC的浓度，CUMS暴露的影响被rTMS逆转，而FLX没有逆转。这一结果强表明，经颅磁刺激特异性地增加了海马体的整体DNA甲基化。经颅磁刺激增加了DG中的整体DNA甲基化水平。成熟的神经元会增加DNA的甲基化。虽然FLX治疗并没有逆转整体DNA甲基化的下降，但它确实逆转了海马DG中成熟神经元甲基化的下降。这可能表明，经颅磁刺激可能作用于海马体中的其他类型的细胞，而FLX似乎对DG的成熟神经元表现出更显著的影响。
图六 压力暴露增加了额叶皮层的5hmC
DNA甲基化是一个通过去甲基化而可逆的动态过程，它是控制基因表达以维持细胞稳态的关键部分。因此，作者通过检测海马前额叶皮层的II/III层和DG中5hmC的免疫反应性来评估去甲基化水平。在前额叶皮层组，与对照组相比，CUMS暴露组显著增加了5hmC的免疫反应性。与假手术组相比，经rTMS或FLX处理的小鼠没有显著变化。在DG中，没有发现组间的显著差异。这些数据表明，DNA去甲基化不受rTMS或FLX的影响，而CUMS增加了前额叶皮层中该表观遗传标记的免疫反应性。
作者的研究显示，雌性小鼠通过暴露于慢性应激而产生的抑郁样行为，在这个模型中，观察到树突状和突触可塑性的显著变化以及表观遗传水平上的变化。经颅磁刺激和FLX表现出相似的行为和神经可塑性效应，表明它们的抗抑郁效果相当。然而对这些治疗对表观遗传标记物的影响的研究揭示了不同的分子机制，尽管获得了相同的抗抑郁药物的结果。以上数据表明，经颅磁刺激主要促进表观遗传抑制机制，而FLX主要触发激活机制。通过主成分分析，作者提出这些表观遗传变化与观察到的这些树突状和突触结构的修饰有关。由额叶皮层的组蛋白H3甲基化和成熟DG神经元的DNA甲基化介导的基因沉默，促进了前额叶皮层和海马的DSs的结构修饰，从而激活皮质-边缘系统。这一机制可以部分解释5 Hz经颅磁刺激的抗抑郁作用。虽然作者的研究确定了经颅磁刺激诱导的这些特定表观遗传标记的修饰，但这些机制可能反过来调节了其他过程和基因表达。这些协调的相互作用最终有助于突触的形成，这对大脑的整体功能和可塑性至关重要。
https://doi.org/10.3390/cells12162062
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