作者对先前报道的虚拟现实环境中瘫痪、假性行为的斑马鱼幼鱼无效行为诱导的被动性检测方法进行了改进（图1A）。作者首先测试了氯胺酮的效果，这是一种广泛用作快速作用的解离性麻醉剂的NMDAR拮抗剂。先前的研究表明，氯胺酮会引发持续的抗抑郁作用。作者将这些鱼（以及用载体处理的对照组）置于无效行为诱导的被动性检测中（图1C），分析了氯胺酮对开环期间无效行为诱导的被动性的影响。在开环期间，正如预期的那样，未处理的对照鱼在游泳、挣扎（表现为更大、不协调的尾部偏转）和被动性之间转换（图1D）。在氯胺酮处理的鱼中，被动性持续时间减少（图1F-G），并且以剂量依赖的方式减少（图1H），表现出更强的游泳动机，减少了放弃反应。这表明氯胺酮以一种与其麻醉或解离效应不同的方式抑制无效行为引起的被动性，促进行为的坚持性。

图1. 短暂的氯胺酮暴露可长期抑制斑马鱼幼鱼中由无效行为引起的被动反应

斑马鱼中的无效行为引起的被动性与啮齿动物中的习得性无助模型（如尾悬挂测试）具有相似特征，后者已被用于评估抗抑郁作用。在斑马鱼中，无效行为的运动在星形胶质细胞中引发强烈、通常是全脑范围的钙信号（图2A-C）。为了确定小鼠在习得性无助状态下星形胶质细胞是否同样被激活，作者在尾悬挂测试期间监测小鼠的后内侧皮质（RSC）中的星形胶质细胞钙水平（图2D）。作者通过双光子钙成像发现小鼠无效行为挣扎期间，成像视野内星形胶质细胞钙水平逐渐上升，在挣扎转变为不动时达到峰值，随着小鼠停止运动又恢复到基线水平（图2E-F）。这些结果表明，小鼠中星形胶质细胞活动的动态与斑马鱼中极为相似，在强烈唤醒状态下星形胶质细胞的激活在进化上是保守的，可以用于跨物种比较药物对控制无效行为相关状态的神经通路的影响。

图2. 斑马鱼与啮齿动物无效行为引起被动反应实验的转化潜力及相似性

小鼠中的慢性糖皮质激素处理被用作抑郁症的动物模型，模拟慢性HPA应激轴的过度激活。除了其他行为表型，如蔗糖偏好减少外，慢性糖皮质激素处理还会增加尾悬挂测试和强迫游泳测试中的被动性，这些效应可以通过抗抑郁药物（包括氯胺酮）治疗来逆转。作者发现，斑马鱼幼鱼长期氢化可的松预处理也会增加无效行为诱导的被动性（图2G-I），氯胺酮可以逆转这一效应（图2I）。因此，氯胺酮可以在小鼠和斑马鱼中逆转应激激素诱导的行为状态转换变化。除了氯胺酮，一系列已知在哺乳动物中具有抗抑郁效应的化合物在斑马鱼无效行为检测中也产生了类似的结果（图2K-M）。斑马鱼和小鼠无效行为之间的相似药理敏感性表明，可以利用斑马鱼作为更易处理的模型探究氯胺酮和其他化合物对行为状态转换的影响所涉及的环路变化。

先前在斑马鱼中的研究表明，无效行为诱导的被动反应是由去甲肾上腺素能-星形胶质细胞系统介导的。位于脑干的一个被称为NE-MO的神经元簇在无效行为时被激活，这很可能对应于哺乳动物中的A2区域神经元。放射状星形胶质细胞整合去甲肾上腺素能的无效行为信号，然后激活位于延髓外侧（L-MOGABA）的神经元，这些神经元抑制游泳行为（图3A）。为了确定氯胺酮暴露后被动性的减少是否由于星形胶质细胞激活的降低，作者在实施无效行为检测的假性游泳过程中（图3B），测量了鱼的星形胶质细胞钙信号。在氯胺酮暴露和洗脱后，无效行为游泳时星形胶质细胞的钙水平较低（图3C-E）。这表明氯胺酮对行为被动性的影响可能源于星形胶质细胞对无效行为反应的长期下调。

图3. 短暂的氯胺酮暴露抑制了随后在无效游泳期间的星形胶质细胞的钙反应

作者使用光片成像技术收集了在急性氯胺酮暴露期间，斑马鱼整个大脑中单个神经元的活动轮廓（图4A）。与氯胺酮对自发和感觉诱发运动的抑制效应一致，早期视觉区域和后脑运动区域的神经活动受到抑制（图4B-D）。然而，在一小部分脑区，神经元活动被氯胺酮显著增强，包括去甲肾上腺素能和5-羟色胺能核团（图4C-E）。

由于单胺系统对抑郁表型及其治疗的重要性，作者检查了氯胺酮对去甲肾上腺素能（NE）和5-羟色胺（5-HT）能核团活动的影响。去甲肾上腺素能簇和后脑5-羟色胺能群体在氯胺酮暴露期间活动增加了（图4C-F）。作者发现，氯胺酮给药使后脑特别是后延髓（pMO）的NE水平升高，而视顶盖（OT）的NE水平下降（图4G）。直接可视化5-HT显示，氯胺酮诱导Hb和小脑（Ce）的5-HT水平显著升高，但在OT和延髓中的效应更为多样（图4H）。这些数据表明氯胺酮急性地以区域依赖的方式改变了全脑的单胺神经调节。

去甲肾上腺素（NE）是一种在进化上保守的星形胶质细胞钙信号的调节因子。为了研究氯胺酮是否通过NE调节星形胶质细胞钙信号，作者对氯胺酮暴露期间的放射状星形胶质细胞的钙活性进行了成像（图5A）。急性氯胺酮暴露引起了星形胶质细胞钙浓度呈现剂量依赖性的大幅上升（图5B-D）。氯胺酮诱导的钙增加要大得多，持续时间也更长（图5D），这种效应是氯胺酮特有的（图5E）。

为了评估升高的星形胶质细胞内钙水平的后续效应是否足以抑制被动性，作者采用两种不同的方法诱导星形胶质细胞短暂的钙升高，并在之后检测无效行为诱导的行为。首先，作者通过光遗传学激活去甲肾上腺素能神经元，这种光遗传学NE神经元激活在1小时后导致无效行为引起的被动性降低（图6G），表明强烈的短暂NE-M0激活及其相关的星形胶质细胞钙升高所产生的后续效应足以模拟氯胺酮对行为的持久影响。其次，作者通过化学遗传学方法得到了一致的结果。因此，星形胶质细胞中持续且强烈的钙增加足以抑制无效行为引起的被动性。

为了识别具有长期活动变化的大脑区域，作者对其神经元和星形胶质细胞的钙活动进行了近乎全脑的光片成像。氯胺酮处理的鱼相对于对照组对无效行为游泳的星形胶质细胞钙反应显著降低（图7A-B）。

为了研究减少无效行为触发的神经活动的贡献，作者分析了实验期间的全脑神经活动和星形胶质细胞钙信号。大脑中包括NE-M0在内的无效行为挣扎触发的神经反应显著降低（图7C-D）。为了确定氯胺酮是否独立于NE神经元活动的变化降低星形胶质细胞的敏感性，作者评估了它们对强烈、选择性、光遗传学激活去甲肾上腺素能神经元的反应（图7E）。这种NE神经元刺激模式下的星形胶质细胞钙反应在氯胺酮洗脱后至少1小时内受到抑制（图7F-G）。这些结果表明短暂的氯胺酮暴露会导致NE-星形胶质细胞回路的长期脱敏（图7H）。

作者使用双光子显微镜重新评估了氯胺酮对未麻醉动物的哺乳动物星形胶质细胞的影响。氯胺酮的急性腹腔注射引起了星形胶质细胞钙的显著、广泛的增加（图8B）。对氯胺酮的钙反应在注射后几分钟达到峰值，并在所有测试动物中持续超过10分钟（图8C-E），这些反应被NE释放抑制剂右美托咪定处理所消除（图8F）。同时成像星形胶质细胞和神经元的钙水平，发现氯胺酮注射导致神经元活动降低，这些数据表明，在细胞类型和神经调节剂水平上，氯胺酮参与了一种进化上保守的星形胶质细胞神经调节模式，以改变对无效行为的反应。

图8. 氯胺酮通过保守的信号传导途径在体升高哺乳动物星形胶质细胞中的钙水平

悬尾实验视频分析系统（SA210）