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缩足反应变弱,前扣带树突棘提供了什么线索?

Pain · 2022-04-16

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Pain · 研究前沿

缩足反应变弱,前扣带树突棘提供了什么线索?

5×FAD小鼠随年龄出现炎症后机械反应减弱,伴随前扣带细胞响应延迟和树突棘减少;调节细胞活动可改变缩足表现。

原论文Figure 5D六个月龄5×FAD单一树突显微视野局部:树突及其棘状突起

当疾病模型小鼠不再像对照那样频繁缩足,变化可能发生在感觉处理的哪个环节?2022年4月16日发表于 Pain 的研究,将5×FAD阿尔茨海默病模型小鼠的机械反应,与前扣带皮层ACC的细胞活动和树突结构联系起来。六个月龄时,炎症后的缩足反应减弱,部分细胞启动更慢、响应增强较小,树突棘也更稀疏。研究由行为逐步深入细胞,追问这些变化怎样相互关联。

关键发现

六个月龄5×FAD小鼠的机械反应变化与ACC锥体细胞响应及树突棘减少相关;增强ACC兴奋性群体活动提高缩足反应,削弱相关活动或树突棘调节过程可产生部分相似表现。

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年龄与炎症背景,决定差异何时出现

三个月龄时,模型与对照小鼠的机械缩足表现相近;六个月和九个月龄时,炎症后的模型组缩足比例较低。但两种基因型都在炎症后变得更敏感,模型小鼠仍会对机械刺激作出反应。

差别也有时间范围,较晚观察并不始终保持同样的组间差异。足部肿胀的比较未显著不同,后续多个时点的步态触地指标也未见显著组间差别。研究因此把重点放在早期机械反应与脑内处理的联系上。

原论文图 1年龄与炎症背景,决定差异何时出现
年龄与炎症背景,决定差异何时出现
Figure 1:六、九个月龄模型组炎症后机械缩足反应低于对照,三个月龄比较未显著;炎症仍提高两组敏感性。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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六个月龄时,前扣带响应启动更慢

研究在ACC记录到多种反应,有的细胞增强放电,有的降低,还有很多不明显响应。在被归为兴奋性响应的细胞中,三个月龄模型组的启动时间与对照没有显著差别,六个月龄组则出现延迟。

六个月龄组炎症后相对炎症前的峰值放电关系也更平缓,提示响应增强较弱。活动标记提供另一条一致线索:模型组ACC标记在六、九个月龄减少,三个月龄时未见显著差异。

这些记录包含同一批动物中的多个细胞,描述的是细胞反应的分布。模型组并非所有细胞都停止工作,而是响应时序与增强程度出现了变化。

原论文图 3六个月龄时,前扣带响应启动更慢
六个月龄时,前扣带响应启动更慢
Figure 3:六个月龄模型组部分响应细胞启动延迟、炎症后峰值增强关系较弱;三个月龄启动时间比较未显著。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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细胞比例相近,变化可能藏在连接上

模型组随年龄出现更多淀粉样相关沉积,但ACC中CaMKII相关细胞占神经元的比例,与对照没有显著差异。活动下降因此不只是一个标记群体所占比例随之下降的简单对应。

神经元接收输入,依赖树突分支及其棘状突起。研究随后转向这些细小结构,比较细胞总体身份相近时,接收联系的形态是否已经改变。

原论文图 4细胞比例相近,变化可能藏在连接上
细胞比例相近,变化可能藏在连接上
Figure 4:模型组淀粉样相关沉积随年龄增加,ACC兴奋性标记细胞比例未显著改变。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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树突变得简化,棘状突起更稀疏

六个月龄模型小鼠的ACC锥体细胞,树突总长度较短,分支复杂度较低,单位树突上的棘状突起也较少。被归为成熟形态的树突棘比例下降,三个月龄的这些差异则未明显出现。

结构改变与行为、细胞响应的年龄差异相互呼应。树突棘是许多兴奋性输入的接收位置,棘密度变化由此成为解释响应减弱的候选环节;形态与活动的对应,也把后续问题引向功能调节。

原论文图 5树突变得简化,棘状突起更稀疏
树突变得简化,棘状突起更稀疏
Figure 5:六个月龄模型组树突长度、复杂度、棘密度及成熟形态比例下降,三个月龄比较未见相同差异。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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提高前扣带活动,缩足反应也能提高

增强ACC兴奋性群体活动,模型小鼠炎症后的缩足比例升高,原先较低的反应向对照水平靠近;在正常对照中,同类增强没有显著改变缩足比例。细胞活动与行为之间由此出现可调节的联系。

反过来,降低正常小鼠ACC相关活动,炎症后缩足比例下降。这组双向结果支持ACC参与机械反应调节,观察到的恢复指向受测行为;研究并未在这里同时重建树突结构或检验认知恢复。

原论文图 6提高前扣带活动,缩足反应也能提高
提高前扣带活动,缩足反应也能提高
Figure 6:ACC群体增强提高模型组炎症后缩足比例,正常组增强未显著改变;正常组抑制则降低反应。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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减少树突棘相关过程,只复制了部分结构变化

在正常小鼠中,抑制与Rac1相关的调节过程后,树突棘密度下降,机械缩足反应减弱,细胞响应启动延迟、峰值增强关系也较弱。这些变化与模型组的部分特征相似。

但树突长度、分支复杂度与成熟形态比例,没有相对正常对照显著改变。不同层面的结构变化并不完全同步,也说明药理条件呈现的是部分相似,而非复制全部模型特征。

原论文图 7减少树突棘相关过程,只复制了部分结构变化
减少树突棘相关过程,只复制了部分结构变化
Figure 7:Rac1相关药理条件伴随正常小鼠棘密度及缩足反应下降、响应延迟,树突整体形态与成熟比例未复制模型组全部变化。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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结构、活动与行为,形成相互支持的线索

另一类影响肌动蛋白聚合的药理条件,同样伴随树突棘密度下降、炎症后缩足减少,以及ACC响应延迟和较弱的峰值增强。这让结构相关过程与机械反应之间的联系得到另一种支持。

两类药理条件都可能影响树突棘之外的细胞功能,关键结构变化怎样具体传到行为,仍有待厘清。研究将模型小鼠的反应变化拆成可观察的多个层次:身体动作、细胞响应,以及接收输入的微小突起;它们之间的联系,比单看缩足次数更丰富。

原论文图 8结构、活动与行为,形成相互支持的线索
结构、活动与行为,形成相互支持的线索
Figure 8:肌动蛋白相关药理条件伴随棘密度下降、机械反应减弱和ACC响应变化;这些结果支持结构相关机制,尚未确定单一结构环节的独立贡献。
来源:Cui Z et al. · Pain · CC BY-NC-ND
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论文信息

Cui Z, Guo Z, Wei L, Zou X, Zhu Z, Liu Y, Wang J, Chen L, Wang D, Ke Z.
Altered pain sensitivity in 5×familial Alzheimer disease mice is associated with dendritic spine loss in anterior cingulate cortex pyramidal neurons
Pain · 2022-04-16
DOI: 10.1097/j.pain.0000000000002648