STTT：王以政团队提出帕金森病模型运动控制的新神经环路——STN–ANT
2021年6月9日，北京基础医学研究所认知与脑科学研究中心、中国科学院神经所以及复旦大学附属华山医院的研究人员合作在《Signal Transduction and Targeted Therapy》杂志发表了一篇Letter，通讯作者是王以政研究员，他们发现STN-ANT环路的突触可塑性控制着PD模型啮齿动物的运动行为。
这条新发现的STN-ANT环路可能是一种将运动信号从基底神经节中的STN传递到扣带皮层的环路，并作用于感觉-运动整合和突触可塑性，参与了帕金森病模型运动缺陷的调节。本研究从环路、突触和分子三个层面对突触可塑性调节运动控制进行了剖析。
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基底神经节主要操控运动控制，对生活和运动的各个方面都至关重要，如帕金森病(PD)中，在背侧纹状体多巴胺能神经元去神经支配后，可导致直接通路的抑制和间接通路的促进，并导致基底神经节运动回路中两个重要的核团-丘脑底核(subthalamic nucleus，STN)和苍白球内部(globus pallidus Internus，GPi)的激活。
另外，通过脑深部刺激(deep brain stimulation，DBS)控制STN或GPi可以纠正PD患者和动物模型的运动症状。STN-DBS极大地抑制了静息性震颤，减少了多巴胺能药物的使用，但增加了跌倒的风险，而GPi-DBS主要有利于运动障碍和步态改善。这些观察表明，除STN-GPi环路路外，其他环路也在运动控制中起作用。
作者首先通过一系列的病毒追踪研究了STN投射的核团。首先，将表达增强黄色荧光蛋白(enhanced yellow fluorescent protein, EYFP)的腺相关病毒(adeno-associated virus, AAV)注射到单侧小鼠STN中。
除了已知的接收STN投射的大脑区域，如外侧苍白球(GPe)和GPi，在丘脑前核(anterior thalamic nucleus，ANT)中也可见EYFP阳性纤维，这是一个已知的投射到扣带皮层的核团，主要操控随意运动功能。
为了进一步研究之前未被确认的STN ANT环路，作者将表达Cre重组酶的跨单突触AAV或含有Dio-EYFP的AAV分别注射到STN或ANT中，以标记接受STN投射的ANT神经元。
在ANT中，EYFP阳性细胞与神经元标志物NeuN共同标记。进一步分析发现，大多数EYFP阳性神经元是兴奋性的。此外，逆行病毒追踪实验也证实了STN-ANT的关联。
接下来，作者通过光遗传学和全细胞记录STN-ANT环路是否具有单突触功能。光刺激ANT神经元上的STN投射纤维引起兴奋性突触后电流(EPSCs)。并且，诱发的EPSCs对CNQX敏感，但对TTX和4-AP不敏感。
总之，这些结果表明，从STN到ANT有一个未发现的、单突触的、兴奋性的投射。
由于PD中兴奋性STN神经元的活性增加，而STN阳性的ANT神经元主要是兴奋性的，作者想知道PD模型中同侧ANT的活性是否增加。作者通过向小鼠的单侧背纹状体或大鼠的内侧前脑束(medial forebrain bundle，MFB)注射6-OHDA建立半帕金森鼠模型，诱导单侧黑质多巴胺神经元明显丢失。
在半侧帕金森模型小鼠中，c-fos表达在同侧明显增强，而在对侧ANT中没有增强。而鹅膏氨酸（ibotenic acid，IBO)损害同侧STN则逆转了增强的c-fos表达。
为了在体实验中描述这种活动，作者在自由行为的大鼠中做了多通道电生理记录。发现PD模型大鼠同侧ANT神经元的放电率明显高于对侧ANT。在同侧ANT中观察到一个明显的β范围(15 - 35hz)的局部场电位(local field potential，LFP)活动，这被认为是PD运动缺陷的病理生理学标志。
因此，作者进一步探讨STN-ANT增强的神经活性对PD模型小鼠运动控制的作用，在PD模型小鼠中，IBO对ANT的损伤随着通过光束时间和对侧旋转次数的减少而显著改善运动功能。同样，通过光遗传学抑制ANT或STN-ANT环路可以改善运动缺陷。
接下来作者研究了增强的STN-ANT神经活动如何导致PD模型小鼠的慢性运动异常。由于ANT神经元接受来自STN的谷氨酸能输入，而谷氨酸受体对突触活性的建立和维持至关重要，所以作者首先研究了ANT和STN - ANT回路中两种重要的谷氨酸受体AMPAR和NMDAR的活性。
发现ANT和STN-ANT环路的AMPAR/NMDAR电流比均有较大提高。说明PD模型小鼠STN-ANT回路的兴奋性突触传递明显增强。因为突触后膜上缺乏GluR2的AMPARs (GluR1是主要成分)表达的增加对长期的突触增强至关重要。
而作者也发现，在PD模型小鼠的ANT和STN投射的ANT神经元中，膜上缺乏GluR2的AMPARs明显增加，表明PD模型小鼠同侧ANT神经元膜上缺失GluR2的AMPARs积累。
此外，既往研究表明，GluR1细胞膜表达受胞内羧基端基序磷酸化调控。作者发现GluR1-S845在同侧ANT中显著增加，而总AMPAR-GluR1的表达没有改变。
将特异性PKA抑制剂H-89应用于同侧ANT或ANT切片后，可以阻断GluR1-S845磷酸化水平的升高，使AMPAR/NMDAR比值上升至对照组水平。此外，将H-89注入同侧ANT可减轻6-OHDA处理小鼠和MPTP处理小鼠的运动缺陷。
另外，为了专门防止GluR1-S845的磷酸化，作者设计了TAT-S845，一个细胞渗透性肽，它包含了一个跨越GluR1 PKA磷酸化位点的序列。TAT-S845的应用逆转了PD模型小鼠AMPAR/NMDAR电流比的增加，减轻了PD模型小鼠的运动缺陷。
STN-ANT的可塑性对于帕金森病模型的运动控制至关重要
参考文献
Zhang H, Zhang C, Qu Z, Li B, Su Y, Li X, Gao Y, Wang Y. STN-ANT plasticity is crucial for the motor control in Parkinson's disease model. Signal Transduct Target Ther. 2021 Jun 9;6(1):215. doi: 10.1038/s41392-021-00545-z. PMID: 34103469.
编译作者：Sheena（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）