Cell︱新发现！中脑调控运动现象对帕金森病治疗的新启示

来源︱滔博生物

作者︱研究员 滔滔

责编︱王思珍

运动对于所有生物个体都十分重要，从动物基本的觅食行为，到躲避天敌的逃跑行为，这些都受到大脑神经环路的支配，那么是否还有很多关于大脑调控运动的未解之谜呢？科研发现神经环路控制身体运动和协调四肢的位置起到十分重要的作用，对于帕金森病的治疗也有着十分重要的意义。

中脑运动区（MLR）以前被认为只控制脊椎动物的行走和其他形式的运动。2021年8月19日，瑞士巴塞尔大学Friedrich Michel生物医学研究所和生物中心的Silvia Arber实验室在Cell上发表了题为Functional diversity for body actions in the mesencephalic locomotor region的文章。在这项对小鼠的研究中，发现中脑运动区也调节姿势变化和其他运动。这项新研究通过使用Inscopix自由行为显微钙成像系统观察中脑运动区（MLR）神经元不同群体的兴奋性发现两种在空间上混杂的谷氨酸能群体：一种连接脊髓，一种连接基底神经节。这项新的研究表明，那些直接连接到脊髓的细胞参与调节身体伸展和姿势变化，这可能是启动运动所必需的，还可能对缓解药物无效的帕金森病患者的姿势和步态问题具有启示意义。

正  文

运动对于所有物种的生存都至关重要，是整个身体的地面移动的方法。它使人们能够与环境进行多种形式的可控互动，包括探索，如寻找食物，以及应对紧急的反应，如逃离危险。无论选择何种运动形式，其成功完成都需要整个身体进行受控的姿势调整，协调四肢以实现身体的转移，以及有效抑制与运动不相容的其他肢体动作。这些行为观察提出了一个现象，即涉及运动和其他形式身体运动的选择和调节的潜在神经元环路机制。

中脑运动区域(MLR)通过整合了许多输入的信息并投射到下行和上行的靶点，结合了运动调节的各种重要属性。MLR的历史定义是功能性的，对它的电刺激可以引发全身运动，速度和步态随着刺激强度的增加而增加。在这些观察之后，出现了一些与MLR功能相关的问题，即如何确定MLR的精确位置以及如何确定负责观察到的效应的神经元类型。解剖学上，MLR最初的功能定义包括中脑区域，包括脚前额核（PPN）、楔状前核和楔状核的吻尾毗邻区（pCnF和CnF）以及相邻的中脑网状结构（mRT）。这些区域包含混合的谷氨酸和GABA能神经元，PPN也包含胆碱能神经元，需要一种策略来解剖和理解MLR功能的位置和神经递质身份。

PPN的研究具有临床意义。应用PPN脑深部刺激（DBS）改善帕金森病步态和平衡症状产生了不同的发现。最近的一篇综述文章强调，尽管多年来一直在进行临床研究，但PPN区域的功能多样性可能是缺乏改善帕金森病（PD）症状的应用策略共识的关键原因【1】。总之，虽然CnF-vGlut2神经元可以在逃逸环境中驱动运动，但相邻区域（包括PPN）功能的结果无法协调。这些不同的观察结果强调，鉴于只有一小部分MLR神经元编码运动，有必要更好地描述该中脑区域的功能性神经元多样性，也涉及其他运动行为。此外，在运动中考虑速度调节和肢体协调之外的其他方面也很重要，要知道它的成功执行还需要姿势调整和其他运动程序的抑制。

在这里，作者基于目标连接可能与功能相关的前提，确定并功能性解剖谷氨酸能MLR亚群。作者发现，空间邻近的MLR-vGlut2神经元根据轴突靶点、转基因标记物表达、神经元活动和行为中的作用分离不同的神经元群。脊柱投射群体（MLR>SC）不同于以Rbp4Cre转基因（MLR-Rbp4）特异标记的基底节输出结构为靶点的上升群体。虽然MLR>SC神经元在直立过程中受到正向调节，但MLR-Rbp4神经元主要在前肢行为抓取和梳理过程中呈现兴奋性。光遗传学实验证明了MLR>SC神经元在身体伸展中的作用，同时指出了MLR-Rbp4神经元在调节各种行为中的作用。作者得出结论：功能不同的MLR亚群的接近可能解释了谷氨酸能MLR神经元的不同结果，并为设计新策略以改善涉及PPN区域的PD症状提供了重要信息。

结  果

MLR-vGlut2神经元分为独立的下行和上行群体

作者首先通过下行和/或上行投射确定谷氨酸能MLR神经元的精确位置。作者将具有Cre依赖性条件表达和逆行神经元靶向潜能（rAAV）的腺相关病毒（AAVs）【2】注射到选择的下行和上行MLR投射靶中。作者提供了表达不同标记蛋白的RAAV，这些标记蛋白靶向细胞核（nTag），以便检测细胞体的位置。作者通过向vGlut2Cre小鼠注射rAAV-flex-nTag变体，将分析局限于谷氨酸能MLR神经元（图1A）。为了用下行投射靶向MLR-vGlut2神经元，作者将rAAV-flex-nTag1和-Tag2分别注入延髓网状结构（Med）和SC。作为MLR-vGlut2神经元的主要上升靶点，作者将rAAV-flex-nTag3注入啮齿动物的主要基底节输出结构——黑质网状结构（SNr）【3,4】（图1A）。

图1 按投射目标分离MLR的谷氨酸能MLR神经元

（图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

Rbp4Cre转基因标记具有SN投射的谷氨酸能MLR神经元

紧邻胆碱能PPN神经元的谷氨酸能SN投射神经元群促使作者确定是否能找到遗传途径进入这些神经元。作者将AAV-PHP.eB-flex-nTag病毒（一种AAV变体，有效地转导中枢神经系统）全身注射到表达Cre重组酶的现有小鼠系中【5】。作者发现，广泛用于靶向大脑皮层第5层锥体束（PT）神经元的转基因小鼠系Rbp4Cre【6】也在紧邻胆碱能PPN神经元的神经元群中表现出选择性表达（图2A）。MLR-Rbp4神经元的定量显示，mRT和PPN亚区的分布情况比pCnF和CnF更为明显，吻尾侧分布情况与谷氨酸能MLR>SN神经元的分布情况一致（图2A）。

图2 Rbp4转基因标记向基底节输出投射的谷氨酸能MLR神经元

 （图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

谷氨酸能MLR亚群的差异作用调节

针对下行和上行兴奋性MLR神经元群的可能性，通过Inscopix自由行为显微钙成像系统来监测它们的活动，在旷场测试中记录动物自由活动行为期间的神经发放情况（图3A）。之前的研究表明，部分MLR-vGlut2神经元的活动可以跟踪运动状态，作者首先评估了是否检测到在运动发作期间优先活跃的神经元。为了确定行为期间的神经元活动变化，作者计算了研究行为期间的平均荧光，并减去未检测到行为的帧期间的平均荧光，从而得出与静止事件相比分配给每个神经元的行为调制指数。作者发现，在运动过程中，只有一小部分神经元在运动过程中受到正调制，这一特性与MLR>SC比MLR-Rbp4神经元更显著相关（MLR>SC:39.3%；MLR-Rbp4:19.9%）。

这些发现提出了MLR>SC和MLR-Rbp4神经元是否在其他行为中出现兴奋性的问题。因此，作者跟踪了其他频繁自发行为的发生——在旷场中直立、梳理和抓取食物（图3B）。通过使用高速视频和加速度传感器数据的监督学习算法识别行为事件（图3C）。通过分析MLR>SC神经元的反应（图3D-3H），作者发现与直立开始相关的荧光信号显著增加（图3E）。相比之下，运动的开始或前肢行为的抓取和梳理并未导致总体MLR>SC群体的发放增加（图3E）。

接下来，作者确定了单个MLR>SC神经元的调制指数及其在四种分析行为中的分布。作者发现，在直立过程中，MLR>SC神经元的发放最为显著，而在其他三种行为中，只有少数神经元受到强烈的正向调节（图3F, 3G）。因此，同样在单神经元水平上，直立过程中的积极调节是最显著的影响，而在其他行为中的调节影响可以在一些神经元中检测到，但要小得多（图3E-3G）。作者还通过单神经元和单次试验分析（图3D）研究了神经元活动与直立期之间的关系。单个MLR>SC神经元在时间和大小上表现出不同的动力学，这在分析在同一行为时间帧上在一只小鼠中成像的多个MLR>SC神经元时可以特别清楚地看出（图3D）。综上所述，这些发现表明MLR>SC神经元更倾向于直立。

 图3 动物自由行为期间MLR不同亚群的兴奋性

 （图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

MLR神经元群体的行为差异解码

为了进一步探索神经元活动特征与不同行为之间的关系，作者采用了相反的方法。作者提取了所有分析神经元的神经元活动的最高峰值，并计算了在峰值时间（图4A）或特定时间内发生的每种行为的概率-单个神经元的时间窗口为2.5s至+5s（图4B）。作者发现，MLR>SC神经元在动物直立期间强烈反应的概率最高，其次是行走，但在抓取和梳理期间很少发现最高峰值（图4A和4B）。相比之下，MLR-Rbp4神经元的最高活动峰值最显著地与抓取相关，其次是梳理，而行走和直立表现得很弱（图4A和4B）。总之，这些发现支持了以下观察：大多数MLR>SC神经元在全身行为期间反应，而MLR-Rbp4神经元在前肢的抓取和梳理行为期间表现出最显著的反应。

图4 MLR>SC和MLR-Rbp4神经元活动的差异行为解码

 （图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

MLR>SC神经元调节身体伸展

接下来，作者通过功能互补性缺失和增强实验研究了MLR>SC和MLR-Rbp4神经元在行为中的作用。考虑到MLR>SC和MLR-Rbp4群体均表现出与多种行为相关的复杂调节特性的观察结果，预测每个整体群体的光遗传学扰动，以测试神经元活动的联合下调或上调对行为输出的影响。

图5 MLR具有脊髓投射的神经元调节身体伸展

 （图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

MLR-Rbp4神经元通过影响基底神经节来调节行为

为了确定MLR-Rbp4神经元在行为中的作用，作者通过在Rbp4神经元中表达stGtACR2来进行功能缺失实验（图6A）。作者推断，急性降低MLR-Rbp4神经元的神经元活动可能导致行为的普遍去抑制，因为对促进基底节输出结构的行为抑制的兴奋性驱动减少（图2）。MLR-Rbp4神经元的双侧光遗传抑制确实导致身体运动不协调（图6B）。光遗传学诱导的运动包括整个试验中具有高度可变运动序列的所有身体部位（图6B），与刺激时小鼠的特定运动无关（数据未显示）。作者发现，当光刺激仍在进行时，异常光诱导运动停止，并且在激光偏移时或之后未观察到额外的过度运动（图6C）。对照组小鼠的光照不会引起跟踪身体部位的速度变化。总之，这些研究结果表明，MLR-Rbp4神经元的光遗传学抑制导致全身各部位运动输出的快速失调，这可能是由于MLR-Rbp4神经元和基底节输出结构之间的生理调信号受到干扰。

图6 MLR-Rbp4神经元主要参与动物运动的协调性

 （图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

文章模式图：中脑运动区身体动作的功能多样性 

（图片引自：Ferreira-Pinto MJ, et al., Cell 2021; 184: 4564-4578）

文章结论与讨论，启发与展望

运动是一种普遍的动物行为，涉及分布式神经元环路。MLR的累积研究已经引发了关于理解其在自然运动行为中的功能讨论，但DBS在治疗难治性PD症状方面的应用还不清楚。在这里，作者展示了专门的神经元群在不同形式的身体运动中有反应。作者相信，这些发现为正在进行的争论提供了线索，并呼吁从根本上更新对中脑区域的神经元功能的观点。作者将利用inscopix系统继续研究中脑神经元对运动系统功能和DBS干预设计的影响

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.002

往期文章精选【1】Cereb Cortex︱MET酪氨酸激酶信号转导时序异常是影响小鼠正常皮层神经回路发育和行为的关键机制

参考文献（上下滑动查看）  

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本文完