作者對先前報道的虛擬現實環境中瘫痪、假性行為的斑馬魚幼魚無效行為誘導的被動性檢測方法進行了改進（圖1A）。作者首先測試了氯胺酮的效果，這是一種廣泛用作快速作用的解離性麻醉劑的NMDAR拮抗劑。先前的研究表明，氯胺酮會引發持續的抗抑郁作用。作者將這些魚（以及用載體處理的對照組）置於無效行為誘導的被動性檢測中（圖1C），分析了氯胺酮對開環期間無效行為誘導的被動性的影響。在開環期間，正如預期的那樣，未處理的對照魚在遊泳、掙紮（表現為更大、不協調的尾部偏轉）和被動性之間轉換（圖1D）。在氯胺酮處理的魚中，被動性持續時間減少（圖1F-G），並且以劑量依賴的方式減少（圖1H），表現出更強的遊泳動機，減少了放棄反應。這表明氯胺酮以一種與其麻醉或解離效應不同的方式抑製無效行為引起的被動性，促進行為的堅持性。

圖1. 短暫的氯胺酮暴露可長期抑製斑馬魚幼魚中由無效行為引起的被動反應

斑馬魚中的無效行為引起的被動性與啮齒動物中的習得性無助模型（如尾懸掛測試）具有相似特征，後者已被用於評估抗抑郁作用。在斑馬魚中，無效行為的運動在星形膠質細胞中引發強烈、通常是全腦範圍的鈣信號（圖2A-C）。為了確定小鼠在習得性無助狀態下星形膠質細胞是否同樣被激活，作者在尾懸掛測試期間監測小鼠的後內側皮質（RSC）中的星形膠質細胞鈣水平（圖2D）。作者通過雙光子鈣成像發現小鼠無效行為掙紮期間，成像視野內星形膠質細胞鈣水平逐漸上升，在掙紮轉變為不動時達到峰值，隨着小鼠停止運動又恢復到基線水平（圖2E-F）。這些結果表明，小鼠中星形膠質細胞活動的變化與斑馬魚中極為相似，在強烈喚醒狀態下星形膠質細胞的激活在進化上是保守的，可以用於跨物種比較藥物對控製無效行為相關狀態的神經通路的影響。

圖2. 斑馬魚與啮齒動物無效行為引起被動反應實驗的轉化潛力及相似性

小鼠中的慢性糖皮質激素處理被用作抑郁癥的動物模型，模擬慢性HPA應激軸的過度激活。除了其他行為表型，如蔗糖偏好減少外，慢性糖皮質激素處理還會增加尾懸掛測試和強迫遊泳測試中的被動性，這些效應可以通過抗抑郁藥物（包括氯胺酮）治療來逆轉。作者發現，斑馬魚幼魚長期氫化可的松預處理也會增加無效行為誘導的被動性（圖2G-I），氯胺酮可以逆轉這一效應（圖2I）。因此，氯胺酮可以在小鼠和斑馬魚中逆轉應激激素誘導的行為狀態轉換變化。除了氯胺酮，一系列已知在哺乳動物中具有抗抑郁效應的化合物在斑馬魚無效行為檢測中也產生了類似的結果（圖2K-M）。斑馬魚和小鼠無效行為之間的相似藥理敏感性表明，可以利用斑馬魚作為更易處理的模型探究氯胺酮和其他化合物對行為狀態轉換的影響所涉及的環路變化。

先前在斑馬魚中的研究表明，無效行為誘導的被動反應是由去甲肾上腺素能-星形膠質細胞系統介導的。位於腦幹的一個被稱為NE-MO的神經元簇在無效行為時被激活，這很可能對應於哺乳動物中的A2區域神經元。放射狀星形膠質細胞整合去甲肾上腺素能的無效行為信號，然後激活位於延髓外側（L-MOGABA）的神經元，這些神經元抑製遊泳行為（圖3A）。為了確定氯胺酮暴露後被動性的減少是否由於星形膠質細胞激活的降低，作者在實施無效行為檢測的假性遊泳過程中（圖3B），測量了魚的星形膠質細胞鈣信號。在氯胺酮暴露和洗脫後，無效行為遊泳時星形膠質細胞的鈣水平較低（圖3C-E）。這表明氯胺酮對行為被動性的影響可能源於星形膠質細胞對無效行為反應的長期下調。

圖3. 短暫的氯胺酮暴露抑製了隨後在無效遊泳期間的星形膠質細胞的鈣反應

作者使用光片成像技藝收集了在急性氯胺酮暴露期間，斑馬魚整個大腦中單個神經元的活動輪廓（圖4A）。與氯胺酮對自發和感覺誘發運動的抑製效應一致，早期視覺區域和後腦運動區域的神經活動受到抑製（圖4B-D）。然而，在一小部分腦區，神經元活動被氯胺酮顯著增強，包括去甲肾上腺素能和5-羟色胺能核團（圖4C-E）。

由於單胺系統對抑郁表型及其治療的重要性，作者檢查了氯胺酮對去甲肾上腺素能（NE）和5-羟色胺（5-HT）能核團活動的影響。去甲肾上腺素能簇和後腦5-羟色胺能群體在氯胺酮暴露期間活動增加了（圖4C-F）。作者發現，氯胺酮給藥使後腦特別是後延髓（pMO）的NE水平升高，而視頂盖（OT）的NE水平下降（圖4G）。直接可視化5-HT顯示，氯胺酮誘導Hb和小腦（Ce）的5-HT水平顯著升高，但在OT和延髓中的效應更為多樣（圖4H）。這些數據表明氯胺酮急性地以區域依賴的方式改變了全腦的單胺神經調節。

去甲肾上腺素（NE）是一種在進化上保守的星形膠質細胞鈣信號的調節因子。為了研究氯胺酮是否通過NE調節星形膠質細胞鈣信號，作者對氯胺酮暴露期間的放射狀星形膠質細胞的鈣活性進行了成像（圖5A）。急性氯胺酮暴露引起了星形膠質細胞鈣濃度呈現劑量依賴性的大幅上升（圖5B-D）。氯胺酮誘導的鈣增加要大得多，持續時間也更長（圖5D），這種效應是氯胺酮特有的（圖5E）。

為了評估升高的星形膠質細胞內鈣水平的後續效應是否足以抑製被動性，作者采用兩種不同的方法誘導星形膠質細胞短暫的鈣升高，並在之後檢測無效行為誘導的行為。首先，作者通過光遺傳學激活去甲肾上腺素能神經元，這種光遺傳學NE神經元激活在1小時後導致無效行為引起的被動性降低（圖6G），表明強烈的短暫NE-M0激活及其相關的星形膠質細胞鈣升高所產生的後續效應足以模擬氯胺酮對行為的持久影響。其次，作者通過化學遺傳學方法得到了一致的結果。因此，星形膠質細胞中持續且強烈的鈣增加足以抑製無效行為引起的被動性。

為了識別具有長期活動變化的大腦區域，作者對其神經元和星形膠質細胞的鈣活動進行了近乎全腦的光片成像。氯胺酮處理的魚相對於對照組對無效行為遊泳的星形膠質細胞鈣反應顯著降低（圖7A-B）。

為了研究減少無效行為觸發的神經活動的貢獻，作者分析了實驗期間的全腦神經活動和星形膠質細胞鈣信號。大腦中包括NE-M0在內的無效行為掙紮觸發的神經反應顯著降低（圖7C-D）。為了確定氯胺酮是否獨立於NE神經元活動的變化降低星形膠質細胞的敏感性，作者評估了它們對強烈、選擇性、光遺傳學激活去甲肾上腺素能神經元的反應（圖7E）。這種NE神經元刺激模式下的星形膠質細胞鈣反應在氯胺酮洗脫後至少1小時內受到抑製（圖7F-G）。這些結果表明短暫的氯胺酮暴露會導致NE-星形膠質細胞回路的長期脫敏（圖7H）。

作者使用雙光子顯微鏡重新評估了氯胺酮對未麻醉動物的哺乳動物星形膠質細胞的影響。氯胺酮的急性腹腔註射引起了星形膠質細胞鈣的顯著、廣泛的增加（圖8B）。對氯胺酮的鈣反應在註射後幾分鐘達到峰值，並在所有測試動物中持續超過10分鐘（圖8C-E），這些反應被NE釋放抑製劑右美托咪定處理所消除（圖8F）。同時成像星形膠質細胞和神經元的鈣水平，發現氯胺酮註射導致神經元活動降低，這些數據表明，在細胞類型和神經調節劑水平上，氯胺酮參與了一種進化上保守的星形膠質細胞神經調節模式，以改變對無效行為的反應。

圖8. 氯胺酮通過保守的信號傳導途徑在體升高哺乳動物星形膠質細胞中的鈣水平

懸尾實驗視頻分析系統（SA210）