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PNAS | 突破!光遗传刺激中脑楔形核调控帕金森病小鼠的运动功能

韩徐琳子 逻辑神经科学 2023-03-10



撰文︱韩徐琳子

责编王思珍

 

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)中,中脑多巴胺能细胞丢失会导致运动障碍,如冻结步态(gait freezing)、运动减慢和跌倒。越来越多的证据表明,这些运动缺陷部分可归因于中脑运动区域(mesencephalic locomotor region,MLR)的变化,该脑区通过下游网状脊髓束在脊椎动物的运动控制中起着关键作用[1]。黑质致密部(substantia nigra pars compacta,SNc)的多巴胺能神经元通过基底节间接控制MLR活性,同时,MLR也接收来自SNc和未定带(zona incerta)多巴胺能神经元的直接投射。有研究表明,在PD猴子模型中,MLR的多巴胺能神经支配发生退化[2]。因此,PD中多巴胺能神经元的丢失对MLR活性有重要影响。MLR的神经元丢失、异常的神经活动、连接改变和代谢缺陷可能导致了运动指令放大作用的消失,从而产生了运动障碍。PD中的运动障碍和冻结步态可能与MLR神经元活性下降有关[3]

 

提高MLR神经元的活性,比如左旋多巴治疗,可能是改善PD运动症状的一种潜在方法[4]。丘脑底核的脑深部电刺激(deep brain stimulation,DBS对运动的改善也认为与MLR有关,因为丘脑底核与MLR之间有直接和间接的投射。然而,左旋多巴和丘脑底核DBS的疗效可能会随着时间的推移而减弱,这迫使我们寻找新的治疗方法[5]。自2005年以来,MLR一直作为DBS的潜在靶点来研究,然而研究结果好坏不一[6, 7]。MLR是一个包含多个区域的异质性结构,其中楔形核(cuneiform nucleus,CnF)控制运动速度的范围,而脑桥脚(pedunculopontine nucleus,PPN)则控制慢速运动、姿势和某些情况下的运动抑制[8]。人类DBS以PPN为靶点但目前尚不清楚MLR中哪种细胞类型是改善PD状态下运动功能的最佳靶点。

 

光遗传学研究发现,CnF谷氨酸能神经元在调控更广的运动速度方面发挥关键作用,PPN谷氨酸能神经元控制较慢速度。CnF和PPN中的GABA能神经元可能通过抑制谷氨酸能神经元而终止运动。PPN中胆碱能神经元的作用尚不确定,因为它们的激活会增加或减少运动 [8]临床上,DBS可能会刺激到电极周围的所有神经元,包括终止运动的GABA能神经元,因此导致了研究结果的不一致。

 

2021年10月20日,加拿大舍布鲁克大学的的Dimitri Ryczko课题组在PNAS上发表了(First release)题为“Optogenetic stimulation of glutamatergic neurons in the cuneiform nucleus controls locomotion in a mouse model of Parkinson's disease”的最新研究论文通过光遗传学刺激PD小鼠,揭示了CnF中谷氨酸能神经元对运动障碍的改善作用,为CnF作为PD治疗靶点提供了依据。



作者对Vglut2-ChR2-EYFP小鼠采用双侧纹状体注射6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)以构建PD小鼠模型,并应用高速摄像头联合DeepLabCut Networks评估矿场试验中小鼠的运动功能,设置注射生理盐水作为对照组。纹状体注射6-OHDA可引起纹状体多巴胺能神经退化和SNc多巴胺能细胞损伤,导致黑质-纹状体通路损伤,从而诱发明显的PD运动缺陷,包括小鼠运动的总时长、起始次数、速度和回合均减少,静止运动的时间增加。对照组以上运动指标不变。

 

为了探索激活CnF中谷氨酸能(Vglut2+)神经元对于PD小鼠运动功能的影响,作者采用了光遗传学和脑片膜片钳记录的方法。发现光遗传激活 PD小鼠CnF中的谷氨酸能神经元后,PD小鼠运动的总时长、起始次数、速度都增加了,静止时间减少了,光刺激对照组小鼠可以得到同样的作用(图1)。这些结果提示光遗传激活CnF中谷氨酸能神经元可以改善PD小鼠的运动障碍。


1 光遗传激活6-OHDA造模的Vglut2-ChR2-EYFP小鼠CnF中谷氨酸能神经元改善小鼠的运动功能

(图源:Fougère, Maxime et al., PNAS, 2021)

 

CnF的主要作用是控制运动,因此作者随后探索了在PD小鼠中CnF是否还具有此调节功能。采用不同的激光功率刺激PD小鼠并观察运动速度的变化,发现小鼠的运动速度随着激光功能的增大呈现“S”样趋势(图2),且此趋势在对照组小鼠中也存在。由此说明,由6-OHDA引起的黑质-多巴胺能通路的损害并不影响CnF对于运动速度的调节作用。


图2. 小鼠的运动速度与刺激的激光功率成正比

(图源:Fougère, Maxime et al., PNAS, 2021)

 

接着,作者探索了光遗传激活CnF中谷氨酸能神经元是否能诱发正常的运动,作者使用DeepLabCut Networks分析了一段高速摄像视频中小鼠后肢6个点(髂骨、髋关节、膝关节、踝关节、跖趾和脚趾)的运动情况。(I)对照组在注射生理盐水后光遗传刺激与注射前的自发运动相比,髋关节、踝关节和跖趾的角度随时间的变化相似,但膝关节角度在注射后振幅略增加(+7%);(II)实验组在注射6-OHDA后光遗传刺激与造模前的自发运动相比,膝关节、踝关节和跖趾的角度相似,但髋关节角度在6-OHDA注射后显示出更高的振幅(+38%);(III)在脑内注射前的自发运动中,与对照组相比,6-OHDA注射组仅膝关节角度显示更高的振幅(+16%);(IV)在光刺激的小鼠运动过程中,对照组和6-OHDA注射实验室组的肢体(臀部、膝盖、踝关节和跖趾)运动无差异(图3)。这些结果综合说明在帕金森病状态下肢体运动障碍可以通过光刺激CnF Vglut2+神经元所改善,肢体运动与损伤前(造模型)的自发运动基本相似。


3. 光遗传刺激CnF谷氨酸能神经元可诱发PD小鼠的产出正常的肢体运动

(图源:Fougère, Maxime et al., PNAS, 2021)

文章结论与讨论,启发与展望

以上实验结果表明,激活CnF中谷氨酸能(Vglut2+)神经元可以改善PD小鼠的运动障碍[9]。因此,CnF中Vglut2+神经元是PD的潜在治疗靶点。

 

目前临床上深脑刺激治疗多关注MLR中的PPN,而忽视了CnF,目前关于CnF深脑刺激治疗的第一个临床实验已经开展。如何选择性的刺激CnF中的Vglut2+神经元是未来研究的关键,可以通过调节刺激频率以及药物学辅助等方法来尝试[10]。尸检发现PD病人PPN中胆碱能神经元发生了退行性变,但CnF中谷氨酸能神经元状态是否也出现改变,还少有研究。目前已经有临床实验在尝试用CnF深脑刺激来治疗进行性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy)(一种非经典PD)的运动障碍(如冻结步态)。

 

总之,提高CnF中谷氨酸能神经元的活性是改善PD运动功能的方法。未来的研究应致力于通过药物治疗、优化深脑刺激方案、光遗传或化学遗传工具来调控这些神经元来改善PD患者的运动障碍。


原文链接:https://www.pnas.org/content/118/43/e2110934118.long


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参考文献(上下滑动查看)  

[1] A. Demain et al., High-level gait and balance disorders in the elderly: A midbrain dis- ease? J. Neurol. 261, 196–206 (2014)

[2] A.-S. Rolland et al., Evidence for a dopaminergic innervation of the pedunculopon- tine nucleus in monkeys, and its drastic reduction after MPTP intoxication. J. Neuro- chem. 110, 1321–1329 (2009).

[3] J. M. Shine et al., Exploring the cortical and subcortical functional magnetic reso- nance imaging changes associated with freezing in Parkinson’s disease. Brain 136, 1204–1215 (2013).

[4] V. Fraix et al., Pedunculopontine nucleus area oscillations during stance, stepping and freezing in Parkinson’s disease. PLoS One 8, e83919 (2013).

[5] O. Gavriliuc et al., Clinical patterns of gait freezing in Parkinson’s disease and their response to interventions: An observer-blinded study. Parkinsonism Relat. Disord. 80, 175–180 (2020).

[6] C. Hamani et al., Pedunculopontine nucleus region deep brain stimulation in Parkin- son disease: Surgical anatomy and terminology. Stereotact. Funct. Neurosurg. 94, 298–306 (2016).

[7] C. Hamani et al., Pedunculopontine nucleus region deep brain stimulation in Parkin- son disease: Surgical techniques, side effects, and postoperative imaging. Stereotact. Funct. Neurosurg. 94, 307–319 (2016)

[8] V. Caggiano et al., Midbrain circuits that set locomotor speed and gait selection. Nature 553, 455–460 (2018).

[9] D. Ryczko, R. Dubuc, Dopamine and the brainstem locomotor networks: From lam- prey to human. Front. Neurosci. 11, 295 (2017).

[10] M. G. Sirota, G. V. Di Prisco, R. Dubuc, Stimulation of the mesencephalic locomotor region elicits controlled swimming in semi-intact lampreys. Eur. J. Neurosci. 12, 4081–4092 (2000).



制版︱王思珍


本文完


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