Modulation of affective states by glia in the medial prefrontal cortex = 내측전전두엽 내 교세포에 의한 정서 상태 조절

국문 초록 (Abstract)

내측전전두엽(medial prefrontal cortex)은 다양한 뇌 영역으로부터 정보를 받아들이고 통합하여 다시 다른 피질, 하위 영역으로 전달하는 중앙 제어 허브로서의 역할을 수행한다. 이러한 특성을 바탕으로 내측전전두엽은 학습, 기억, 인지 기능, 그리고 정서 상태 조절 등 다양한 행동 양상을 형성하는 데 기여한다. 특히 정서 상태 조절은 내측전전두엽이 수행하는 인지 과정과 밀접하게 상호 연관되어 있어, 특정 상황에서 내측전전두엽이 정서를 어떻게 조절하는지에 대한 기전적 이해가 중요하게 부각되고 있다.
내측전전두엽에서의 기능 조절 메커니즘은 그동안 신경 조절 물질에 의한 뉴런 중심의 연구가 활발히 진행되었으나 교세포에 의한 조절 방식은 그 중요성에도 불구하고 상대적으로 덜 규명되어 있다. 교세포는 중추 신경계를 구성하는 핵심 요소로서 성상교세포(astrocyte), 미세아교세포(microglia), 희소돌기아교세포(oligodendrocyte)로 구성되며, 신경 세포의 지지, 항상성 유지, 시냅스 조절 등 광범위한 기능을 수행한다. 교세포는 신경 조절 시스템과 유사성을 공유하면서도, 독자적인 기전을 통해 기존의 뉴런 중심 모델로는 설명하기 어려운 조절 방식을 보완한다. 따라서 교세포의 활성을 조절하는 방식과 그에 따른 기능적 변화를 규명하는 것은 내측전전두엽이 매개하는 정서 조절 기능을 심층적으로 이해하고, 나아가 새로운 치료 전략을 수립하는 면에서 매우 중요한 의의를 갖는다. 그럼에도 불구하고 교세포의 역할과 기능에 대한 종합적인 이해는 여전히 제한적이다. 본 연구는 이처럼 제한적으로 알려진 교세포의 역할과 기능에 대한 종합적인 이해를 확장하고자 한다.
미세아교세포는 중추신경계에 존재하는 비신경성 면역 세포로서 신경계의 항상성을 유지하는 역할을 수행한다. 하지만 면역 반응에 의해 미세아교세포가 활성화되면 염증성 사이토카인을 방출하여 신경 염증을 일으키는 핵심적 매개 요인으로 작용한다. 불안 및 우울 장애의 발병과 밀접한 연관이 있는 내측전전두엽에서 신경 염증을 억제하는 기전에 대해 많은 연구들이 진행되었으나 여전히 미세아교세포의 조절 메커니즘은 명확하게 규명되지 않았다. 첫 번째 연구에서는 내측전전두엽의 하위 영역인 전변연피질(prelimbic cortex)에 존재하는 미세아교세포가 신경 염증 상황에서 조절되는 방식과, 그 변화가 정동 장애에 미치는 영향을 분석하였다. 생리학적 특성을 보존하기 위해 형질전환 마우스를 이용하여 미세아교세포의 전기생리학적 특성을 분석하였다. 이를 통해 염증 유도 시 전압개폐성 포타슘 채널 Kv1.3 (voltage-gated potassium channel Kv1.3)의 발현이 미세아교세포에서 현저히 증가함을 확인하였다. 조직학적, 분자생물학적 접근을 통해 미세아교세포의 Kv1.3 채널이 신경 염증의 핵심 요소임을 규명하였다. 행동 실험을 통해 신경 염증이 불안 및 우울 행동을 유발함을 확인하였다. 나아가 항정신병 약물인 클로르프로마진(chlorpromazine)은 미세아교세포의 Kv1.3 채널을 억제하여 신경 염증 및 불안과 우울을 완화함을 확인하였다. 이는 미세아교세포의 Kv1.3 채널이 신경 염증의 핵심 조절 인자임과 클로르프로마진이 신경 염증에 의한 정동 장애의 새로운 치료 약물로 작용할 수 있음을 시사한다.
성상교세포는 포타슘 이온 완충, 신경전달물질 제거, 시냅스 형성과 제거, 시냅스 조절 및 신경 세포의 활성 동기화 등 광범위한 역할을 수행한다. 더불어, 성상교세포는 다양한 병리학적 상황에서 여러 조절 기전을 통해 신경 세포의 활성에 영향을 미친다. 성상교세포는 다양한 병리학적 상황 중 통증 조절에도 밀접하게 관여한다. 통증은 사회적, 개인적 차원에서 큰 건강 부담을 초래하지만 수반되는 불안 장애가 통증의 회복을 저해하여 치료를 어렵게 한다. 통증에 의한 불안과 관련된 뇌 영역은 상당 부분 밝혀졌으나 통증-불안 동반질환에 대한 조절 기전 방식과 두 상태의 관계성은 여전히 잘 알려져 있지 않다. 두 번째 연구에서는 내측전전두엽의 또 다른 하위 영역인 전대상피질 (anterior cingulate cortex) 내의 성상교세포가 통증과 수반되는 불안을 모두 조절하는지 규명하고자 하였다. 이를 위해 Complete Freund’s Adjuvant (CFA)를 주입하여 통증 및 불안 동반질환 모델을 정립하였다. 광섬유 광도측정법(fiber photometry)과 화학유전학(chemogenetics)을 활용한 실험에서 전대상피질 내 성상교세포가 통증 상황에서 활성이 증가해 있으며, 통증 민감도와 불안 행동 조절에 있어 필요충분조건임을 밝혔다. 회로 추적 기법을 통해 전대상피질 내에 통증을 매개하는 배내측선조체(dorsomedial striatum) 투사 회로와 통증 및 불안과 연관성이 적은 기저외측편도체(basolateral amygdala)로 투사하는 회로가 구분되어 존재함을 밝혔다. 전기생리학적 분석은 두 개의 서로 다른 신경 회로가 상이한 조절 방식으로 작동함을 보였다. 특히 통증의 민감도를 매개하는 신경 회로는 mGluR1을 통해 주로 조절됨을 확인하였다. 본 연구는 성상교세포가 내측전전두엽 내 하위 영역에 존재하는 다수의 신경 회로를 차별적으로 조절할 수 있음을 제시하였으며, 통증과 수반되는 불안 장애의 치료 방식에 대한 새로운 통찰을 제공한다.
종합적으로 본 연구는 병리학적 상황에서 내측전전두엽의 하위 영역 내 교세포가 정서 상태를 형성함에 있어 핵심적 조절자로 기능함을 규명하였다. 특히 미세아교세포의 Kv1.3 채널 억제를 통한 신경 염증 조절 기전과, 성상교세포에 의한 내측전전두엽 하위 회로의 차별적 조절 메커니즘을 제시함으로써 기존에 보고되지 않은 교세포의 기능적 역할을 밝혔다. 본 연구는 내측전전두엽이 매개하는 정서 상태 조절에서 교세포의 조절자적 역할을 확장하고, 신경 조절 시스템과 차별적 조절 방식에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The medial prefrontal cortex (mPFC) functions as a central control hub, integrating inputs from diverse brain regions and relaying information to various cortical and subcortical areas. Owing to these characteristics, the mPFC contributes to learning, memory, cognitive function, and the regulation of emotional states. Of these functions, affective state regulation is particularly important, as mPFC-dependent cognitive processes are tightly linked to emotional state. This underscores the need to understand the mechanisms by which affective states are modulated in the mPFC under specific conditions.
While neuromodulatory systems have been extensively studied as key regulators of mPFC activity, glial modulation has emerged as an equally important but less understood component. Glia are a core components of the central nervous system (CNS), comprising astrocytes, microglia, and oligodendrocytes. Glial cells play diverse roles, including supporting neurons, maintaining CNS homeostasis, and regulating neuronal activity and synaptic transmission. Although glia share certain modulatory properties with neuromodulators, they also exhibit unique regulatory aspects that complement neuromodulatory systems. Therefore, elucidating the mechanisms that regulate glial activity and the functional outcomes shaped by glial modulation is essential for understanding mPFC function and developing therapeutic strategies. Nevertheless, a comprehensive understanding of glial roles and functions remains incomplete.
Microglia are non-neuronal innate immune cells in the CNS and generally play neuroprotective roles. Upon immune challenge, microglia become activated and secrete pro-inflammatory cytokines, leading to neuroinflammation. Extensive studies have focused on suppressing neuroinflammation, particularly in the mPFC, since affective disorders such as depression and anxiety stem from dysregulation of the mPFC. Nonetheless, the specific microglial mechanisms underlying these effects remain unclear. In Chapter 1, I aimed to investigate how microglia in the prelimbic cortex (PL), one of the subregions of the mPFC, are regulated in the context of neuroinflammation, and how they contribute to affective disorders. To this end, I employed CX3CR1GFP+/- transgenic mice to investigate microglial electrophysiological properties while preserving intact synaptic activity. In particular, I found that the voltage-gated potassium channel Kv1.3 is markedly upregulated in microglia following inflammation. Moreover, comprehensive analyses using histology, western blot, and ELISA demonstrated that microglial Kv1.3 plays a critical role in amplifying neuroinflammatory responses. Lastly, a battery of behavior assays further demonstrated that neuroinflammation induces anxio-depressive behaviors. Notably, I showed that chlorpromazine (CPZ), a typical antipsychotic, inhibits microglial Kv1.3, thereby attenuating neuroinflammation as well as the associated anxiety- and depression-like phenotypes. These findings highlight microglial Kv1.3 as a key regulator of neuroinflammation and reveal a novel therapeutic application of CPZ for inflammation-induced affective disorders.
Astrocytes regulate a wide range of neural activities including K+ buffering, neurotransmitter clearance, synaptic formation and elimination, synaptic modulation, and neuronal synchronization. Moreover, astrocytes modulate neurons through multiple mechanisms under diverse pathological conditions. Among various pathological conditions, astrocytes have been implicated in pain modulation. Pain constitutes a major public and personal health burden, but is difficult to address since it is often accompanied by comorbid anxiety. Extensive studies have demonstrated how pain-induced anxiety emerges and which brain regions are profoundly involved in this symptom. However, there is still no clear evidence regarding the precise relationship between pain and anxiety. In Chapter 2, I examined whether astrocytes in the anterior cingulate cortex (ACC), another subregion of mPFC, modulate both pain and comorbid anxiety. To achieve this, I established a pain model using complete Freund’s adjuvant (CFA) to induce peripheral inflammation and successfully reproduced comorbid symptoms of pain and anxiety. I employed fiber photometry and chemogenetics, and found that astrocytes in the ACC exhibit robust activation under pain conditions, with their activity was both necessary and sufficient for generating pain hypersensitivity and anxiety-like behavior. Moreover, viral tracing revealed that the ACC contains two distinct neural populations: one projecting to the dorsomedial striatum (DMS), strongly contributing to pain sensitivity, and another projecting to the basolateral amygdala (BLA), which appears to be insensitive to both pain and anxiety. Electrophysiological analyses showed that astrocytes modulate these circuits through two distinct mechanisms. Notably, the pain-sensitive circuit, ACC-DMS pathway is significantly regulated by mGluR1. These findings uncover a mechanism by which multiple circuits across the mPFC subregions can be differentially regulated by astrocytes and provide new therapeutic insights into treating comorbid pain and anxiety.
In conclusion, these studies highlight that glial cells in the mPFC significantly shape affective states, particularly under pathological conditions. I revealed previously unrecognized mechanisms, showing that CPZ inhibits microglial Kv1.3 to attenuate neuroinflammatory responses, and that astrocytes engage distinct circuits to regulate pain and comorbid affective disturbances. Collectively, these studies broaden our understanding of glial modulators and regulatory mechanisms, establishing glial modulation as a critical determinant of affective states governed by the mPFC.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• Contents ⅴ
• List of Figures ⅶ
• Abbreviations ⅹ
• General introduction 1
• 1. Medial prefrontal cortex 1
• 1-1. Overview of the medial prefrontal cortex 1
• 1-2. Affective states regulated by medial prefrontal cortex 2
• 1-3. Regulators of medial prefrontal cortex activity: neuromodulation and glial contributions 3
• 2. Microglia 5
• 2-1. Functional roles of microglia 5
• 2-2. Beneficial and detrimental roles of neuroinflammation and their functional implication 6
• 3. Astrocytes 7
• 3-1. Functional roles of astrocytes 7
• 3-2. Astrocytic regulation of neural circuits: insights from previous studies 8
• 4. Emerging roles of glia as hidden modulators 10
• Purposes 11
• Chapter I. The antipsychotic chlorpromazine reduces neuroinflammation by inhibiting microglial voltage-gated potassium channels 12
• Introduction 13
• Materials and Methods 16
• Results 26
• Discussion 33
• Chapter II. Astrocytes link pain and anxiety by modulating two distinct circuits in the anterior cingulate cortex 59
• Introduction 60
• Materials and Methods 63
• Results 70
• Discussion 76
• General conclusion 101
• References 102
• Abstract in Korean 138