摘要：应激反应对快速恢复机体因各种环境破坏而导致的生理内稳态失衡至关重要。除成熟的生理级联反应外，应激还引发各种大脑和行为反应。包括斑马鱼在内的水生动物模型已被广泛用于探索应激和与应激相关的脑部疾病的病理生物学机制。批判性地讨论了斑马鱼模型在研究应激机制和实验模拟应激障碍方面的应用，特别是跨分类群重点关注从斑马鱼到啮齿动物和人类的应激反应的潜在演变，以及其转化意义。

关键词：斑马鱼 啮齿动物  皮质醇  应激  行为 动物模型

简介：应激反应是一组复杂的生理反应，旨在通过激活交感-肾上腺髓质系统（SAM）和下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）来恢复因各种环境损伤而诱导的稳态失衡。应激通过多种机制影响人类和动物的中枢神经系统 (CNS)，包括失调的神经递质、激素和关键脑基因的表达。虽然正常的应激反应是机体生存的基础，但病理性应激可能是有害的，导致各种脑部疾病，如焦虑、抑郁和创伤后应激障碍（PTSD）。动物模型，特别是啮齿动物，已被广泛用于研究应激的神经机制和应激相关神经病理学。除哺乳动物外，已证明斑马鱼和其他鱼类与体内应激反应建模高度相关，进化上其具有保守的下丘脑-垂体-肾上腺 (HPI) 应激轴，在结构和功能上该轴与哺乳动物 HPA 轴同源。鱼类也具有大致相似的大脑结构，在两个分类群之间有多种共享的神经递质和激素参与应激反应。在此评估了斑马鱼模型在研究应激和应激相关疾病机制方面的发展效用，特别关注鱼类和啮齿动物应激反应的进化和转化的相关性。

图1、鱼类和哺乳动物应激反应的相似性和差异性示例

鱼类、啮齿动物和人类的生理和心理应激反应：体内的应激反应通常根据施加的应激源类型（生理或心理）而有所不同。在哺乳动物中，心理应激和生理应激（如出血或感染）在大脑中形成不同的神经和细胞网络。例如，身体应激源主要由哺乳动物脑干和下丘脑区域处理，SAM系统在这些区域提供快速的行为适应，例如警觉性、警觉性和对情况的评估。HPA 轴稍后通过脑干被激活，下丘脑的室旁核 (PVN) 激活或抑制该轴。生理应激源还激活调节自主应激反应的其他大脑结构，包括孤束核（NTS）和下丘脑背内侧核（DMH）。与身体应激源有关的关键脑区还包括杏仁核、海马和前额叶皮质（PFC），它们接收来自皮质和皮质下区域的输入，其输出汇聚到皮质下中继部位，从而实现边缘信息的下游处理。心理应激源可引起人类和啮齿动物强烈的生理、行为和认知反应。边缘回路（杏仁核、海马、PVN、腹侧被盖区和伏隔核）与前脑核一起调节哺乳动物的心理应激。PFC对应激反应也很重要，因为啮齿类动物双侧前肢皮质（PLC）损伤会增加血浆促肾上腺皮质激素（ACTH）、皮质酮和Fos蛋白的PVN表达水平。相反，边缘下皮质（ILC）的损伤减少了皮质酮的分泌，这表明PLC和ILC可能在心理应激反应中起相反的作用。哺乳动物 PFC 也投射到杏仁核，形成对处理情绪和身体压力至关重要的皮质边缘回路。糖皮质激素，包括人或鱼的皮质醇和啮齿动物的皮质酮，在应激期间生物合成和释放，以到达其靶器官。这些应激激素的生物学效应是由盐皮质激素（MR）和糖皮质激素（GR）受体介导的，这两种受体在边缘神经元中共同大量表达。糖皮质激素还负责生物反馈抑制垂体ACTH分泌和下丘脑促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）分泌。由于MRs参与评估和应激反应的发生，GRs被这些高水平激素激活，除了调节多种其他生理系统外，还直接影响突触传递、可塑性、学习和记忆。与其他脊椎动物一样，各种鱼类表现出强烈的生理和行为应激反应，具有与哺乳动物相似的神经化学和神经内分泌机制。斑马鱼是一种小型淡水硬骨鱼，它已迅速成为应激神经科学研究中一种强大的新型模型系统。与哺乳动物类似，鱼类也表现出不同的、特定类型的应激反应。例如，与心理应激源相比，身体应激源会导致斑马鱼体内皮质醇的释放更强。当斑马鱼受到轻度应激时，白细胞介素（IL）IL-1β和IL-6、脑源性神经营养因子（BDNF）、干扰素-γ（IFN-γ）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的脑基因表达未发生变化。但当收到一种更严重的急性应激（例如，暴露于冷水、强光、漩涡、浅水和束缚中90分钟）时，所有这些基因的大脑mRNA表达上调。综上所述，这些发现表明鱼类和哺乳动物的应激反应在生理上是相似的，特别是因为它们都直接（以相似的方式）受到应激类型、强度、频率和持续时间的影响。

与哺乳动物HPA轴类似，应激也激活鱼类HPI轴，触发下丘脑（特别是视前核，NPO，与哺乳动物PVN同源），启动CRH/ACTH级联刺激的脑间组织合成和释放皮质醇。由NPO释放的CRH还刺激鱼垂体前叶的前阿片黑皮素（POMC）分泌，通过NPO的直接投射到达。POMC 是一种在鱼类、啮齿动物和人类中表达的进化保守多肽，它是 ACTH 以及 α- 和 β-促黑素细胞刺激素 (MSH) 的前体。与哺乳动物一样，鱼类ACTH是负责刺激皮质醇分泌并通过黑素皮质醇受体2（MC2R）控制其生物合成的主要激素。产生的皮质醇随后被释放到循环中，其对鱼类靶器官（如哺乳动物）的影响由MRs和GRs调节。除了糖皮质激素外，应激还会引发鱼类嗜铬细胞释放儿茶酚胺，导致血糖以及肾上腺素和去甲肾上腺素迅速升高。应激源还可以间接调节大脑神经递质，如5-羟色胺和多巴胺及其代谢物，因为斑马鱼紧急隔离24小时后，表现出5-羟色胺增加，其代谢物5-羟基吲哚乙酸（5HIAA）以及多巴胺及其代谢物3,4-二羟基苯乙酸水平降低。除了改变单胺能系统外，鱼嗜铬细胞在长时间的身体应激后对胆碱能刺激的反应也减少。由于鱼类与其人类和啮齿动物类似物在应激相关基因上具有高度的遗传同源性，因此将进一步分析应激反应的其他几个共同方面，并对这三个物种进行比较。

除了以上讨论的生理和遗传相似性外，斑马鱼和哺乳动物应激反应的神经生物学也存在一些有趣的差异。例如，斑马鱼暴露在慢性应激下会增加大脑BDNF水平，而啮齿动物和人类以及患有情感障碍（如PTSD、焦虑和抑郁）的患者的BDNF水平通常会因慢性应激而降低。相反，脑BDNF的过度表达引起啮齿动物的抗焦虑和抗抑郁作用，临床上观察到BDNF增强后具有类似的治疗效果。后一种差异可能是由于鱼类中枢神经系统的神经保护潜力普遍较高，这可能在应激期间发挥作用。另一个生理差异涉及啮齿动物、人类和鱼类在应激反应中使用的皮质类固醇激素：当人类和斑马鱼使用皮质醇时，爬行动物、鸟类和实验室啮齿动物的主要应激皮质类固醇是皮质酮。在斑马鱼和人类中，皮质醇是在应激期间由 17-a 羟化酶 CYP17（啮齿类动物缺乏的一种酶）在肾上腺中产生的。因此，应激神经内分泌学的某些物种差异可能在鱼类和啮齿动物对急性和慢性应激源的反应中发挥作用。大脑形态的某些解剖差异，特别是哺乳动物和鱼类的边缘系统，也可能导致这些物种对应激的生理和行为反应的某些差异。例如，急性抑制应激，一种用于诱导应激相关行为的常见应激，对动物边缘系统的影响不同，在大鼠中增加室旁核 CRH mRNA 表达，在斑马鱼中减少室旁核 CRH mRNA 表达。总之，这表明鱼类和哺乳动物之间的神经形态学差异可能有助于斑马鱼和哺乳动物之间对应激的不同生理和行为反应。此外，在基于早期母体分离的模型中，鱼类和哺乳动物对应激的一些生理和行为反应也不同。在生理应激源和心理应激源的动物模型中也证明了显著的生理差异。例如，成年雄性大鼠在物理（电击）应激的第二周表现出GR介导的海马萎缩和行为异常，心理应激的第四周才出现上述情况（例如，目睹同种动物经历电击）。在啮齿类动物中，这种物理应激源的行为和分子效应出现较早，但相对温和，但心理应激源的影响更为明显。在斑马鱼身上，虽然急性暴露于物理和化学应激源会增加全身皮质醇水平并引发焦虑样行为，但人们对物理和心理应激源之间的生理差异仍知之甚少。由于这两种类型的压力源可能会激活不同的大脑区域和不同的 GR/MR 受体池，因此根据压力源的类型，可能会导致潜在的不同行为和生理反应。

社会环境和年龄对斑马鱼和哺乳动物应激的影响：社会环境是调节啮齿动物、人类和斑马鱼行为的复杂因素。如前所述，如早期剥夺、隔离、等级制度、拥挤和社会不稳定，会在啮齿动物和斑马鱼身上造成实验性压力。例如，过度拥挤的斑马鱼（40条鱼/升）比保持低密度（0.25条鱼/升）的鱼表现出更高的全身皮质醇。在啮齿动物中，拥挤会激活 HPA 轴并导致社交回避、肾上腺肥大和皮质酮升高。在斑马鱼中，社会压力也可以通过社会隔绝来模拟，因为单独饲养 2 周的斑马鱼在新鱼缸底部的时间更少，而更多的时间呆在开放式鱼缸的中心。与集体饲养的鱼类相比，这些社会隔绝的鱼类也表现出较低的基线皮质醇水平和对急性应激源的迟钝皮质醇反应。在成年斑马鱼中，短期15分钟的社会隔离会引起强烈的焦虑样行为和皮质醇反应，而啮齿类动物的社会隔离会引起肾上腺皮质激素增多、体重减轻、血液成分改变和疼痛反应增强，以及焦虑/恐惧样行为和不良的社会交往。总体而言，这些发现表明社会因素对斑马鱼和哺乳动物应激反应发展的影响大致相似。然而，斑马鱼、啮齿动物和人类之间的慢性社会隔绝压力也有一些有趣的明显影响，因为在哺乳动物中，它增加了精神障碍的风险，但在斑马鱼中会引起类似焦虑症的影响。一方面，这些差异可能是由于与哺乳动物相比，鱼类可能更快地适应新环境（如隔绝）和大脑调节（如神经发生改变）。另一个潜在的促成因素可能是一些遗传差异，主要是由于斑马鱼硬骨鱼类特有的基因组复制。例如，哺乳动物有两个甲状旁腺激素（PTH）受体基因（PTH1R和PTH2R），而斑马鱼有三个（PTH1R、PTH2R和pth3r），这与社会隔离效应有关。年龄在调节应激反应方面也起着重要作用。在男性和女性中，年龄较大的受试者夜间皮质醇水平高于年轻受试者，HPA轴的反应性在青春期有所不同，15岁的受试者在社会应激测试中表现出比9-11岁受试者更高的皮质醇水平。在啮齿动物中，应激对行为的影响也因年龄而异，因为青春期雌性大鼠会避开常驻的雌性，而成年雌性则更活跃和更具攻击性。与哺乳动物的年龄特异性数据相似，急性应激不会改变年轻斑马鱼的焦虑样行为和全身皮质醇，但会改变成年斑马鱼的。年龄也会影响斑马鱼的运动活动，因为在新的水箱试验中，18月龄的斑马鱼比年轻（6-9月龄）的斑马鱼活动更少。总的来说，这表明年龄会逐渐影响斑马鱼、啮齿动物和人类的应激反应，并且通常以一种非常相似的方式影响。

斑马鱼、啮齿动物和人类应激反应的性别差异：斑马鱼、啮齿动物和人类在急性或慢性应激源暴露的反应中，性别差异越来越多。例如，不可预测的慢性应激会降低雌性斑马鱼的攻击性和全身皮质醇，但两性之间的基线皮质醇水平没有差异。鲑鱼雌性的血浆皮质醇高于雄性，而雌性啮齿动物的基线皮质酮和皮质酮对应激的反应高于雄性。这也与女性较高基线皮质醇的临床数据相似，她们也更有可能患上严重的应激相关疾病，包括焦虑、抑郁和创伤后应激障碍。虽然拥挤应激对雄性哺乳动物的影响特别强烈，但它对雌性来说是平静的。在啮齿类动物中，即使同一事件对雄性和雌性都有应激，应激暴露的后遗症也可能不同，例如，在雌性中损害经典条件反射，但在雄性中有所改善。在这个啮齿动物模型中也观察到了一些性别差异，因为当面对具有攻击性的动物时，雌性则更多地试图逃离。由于斑马鱼的优势与更大的体型和攻击性有关，因此占优势的雄性通常比占优势的雌性更具攻击性。因此，在这些物种中，应激相关行为的一些性别差异似乎是保守的，从而提高了它们共同或重叠自然进化的可能性。

斑马鱼、啮齿动物和人类应激反应的个体和品系差异：个体差异强烈影响生物和行为应激反应。脆弱的受试者无法很好地适应压力并表达不适当的反应，而有韧性的受试者将逆境区分为压力较小，并采用适应性行为和生理反应。例如，每天分泌大量皮质醇的人类受试者在暴露于有应激的视频图像时表现出较少的边缘激活。虽然遭受慢性社交失败的 C57BL6/J 小鼠可以根据他们的社交互动得分分为易感和有弹性的个体，但选择性繁殖的远交（RHA）和低回避（RLA）大鼠亚系在应激诱发的ACTH和皮质酮反应方面存在差异（RLA>RHA）。与哺乳动物类似，鱼类在应激反应中表现出明显的种内变异性。例如，具有反应性压力应对方式的攻击性较小的斑马鱼显示出比更大胆、积极应对应激斑马鱼更高的全身皮质醇。斑马鱼运动的个体差异与应激相关表型的差异有关，因为雌性低活动性鱼类比高活动性鱼类更焦虑。此外，在冒险行为上害羞和大胆个体斑马鱼也表现出个体差异。这表明斑马鱼和哺乳动物的应激弹性和脆弱性表型普遍保持不变。然而，这种种内变异的确切进化作用仍不清楚，需要进一步研究。实验室斑马鱼品系在行为和应激反应方面与野生捕获或野生来源（如WIK）鱼类种群也存在显著差异。与野生品系相比，实验室品系对同种物质暴露引起的应激反应不太敏感。与野生型斑马鱼相比，白化品系在新型水箱试验中表现出高度焦虑。此外，AB型斑马鱼的基础全身皮质醇水平高于TL型斑马鱼，而抑制性回避和鱼群凝聚力则低于TL型斑马鱼。AB斑马鱼比TL斑马鱼具有更高的基础全身皮质醇和更低的抑制回避。这些发现表明，在不同物种中也可以看到 CNS 应激反应的个体和应变差异。

结论：越来越多的证据包括同源应激相关基因、相似的行为、重叠的大脑解剖结构和共享的表观遗传调制，支持鱼类和哺乳动物中各种中枢神经系统应激反应的共同的、进化上保守的机制。对应激反应如何跨物种进化的理解可能有助于为各种应激相关疾病开发更有效的药物和非药物疗法。这些知识可能会促进动物实验模型的发展，以评估与应激相关的疾病及其潜在的表观遗传调节。

原文出自：Understanding how stress responses and stress-related behaviors have evolved in zebrafish and mammals - ScienceDirect