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增强未定带抑制性细胞,改善模型小鼠运动

iScience · 2023-06-15

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iScience · 研究前沿

增强未定带抑制性细胞,改善模型小鼠运动

在6-OHDA损伤模型中,激活未定带GABA能细胞可改善小鼠运动、平衡和部分步态指标。重复激活还伴随纹状体组织多巴胺含量升高,具体下游机制仍待解析。

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走得更慢、平衡变差,哪些脑内细胞还能帮助运动网络重新调整?2023年6月15日发表于 iScience 的研究,聚焦丘脑下区域的未定带(ZI)。在模拟帕金森样运动障碍的雄鼠中,增强这里的GABA能细胞活动,能够提高运动表现。研究还发现,重复激活后,纹状体组织的多巴胺含量有所增加,把局部神经元活动与更广的运动系统变化联系起来。

关键发现

ZI GABA能细胞抑制会使正常小鼠的运动和平衡变差,激活则改善6-OHDA模型的运动表现。重复激活后,纹状体组织多巴胺与HVA含量也升高。

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黑质纹状体受损后,目光转向未定带

帕金森病的运动障碍通常与黑质多巴胺系统受损联系在一起。未定带位于这一经典网络之外,却与皮层、丘脑、基底节和脑干广泛联系,也参与姿势和运动调节。它因此可能影响运动系统怎样应对损伤。

研究中的6-OHDA模型出现纹状体TH纤维标记减少、黑质TH阳性细胞减少。相伴的行为包括运动距离和速度下降、平衡及协调表现变差;旷场中心停留时间却未显著改变。研究把这些不同读出作为后续干预的比较基础。

原论文图 1模型中的标记与运动变化
模型中的标记与运动变化
图1展示黑质纹状体TH标记变化,以及模型小鼠的转圈、平衡、协调和自主运动表现。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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ZI的抑制性标记也发生变化

研究者进一步观察ZI。这里GABA阳性细胞计数减少约13%,其中一种相关标记——小清蛋白(PV)阳性细胞的计数减少约34%。多巴胺通路之外,局部抑制性细胞标记也随模型状态发生了变化。

这些标记变化引出了功能问题:如果调节ZI GABA能细胞的活动,运动表现是否会随之改变?研究随后分别考察正常动物中的抑制,以及损伤动物中的激活,让细胞标记的观察与行为作用相连接。

原论文图 2ZI的GABA与PV标记
ZI的GABA与PV标记
图2比较对照与6-OHDA模型ZI内的GABA、PV阳性细胞计数及代表性荧光视野。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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正常小鼠的平衡和协调也会受影响

在正常雄鼠中降低ZI GABA能细胞活动,单侧和双侧抑制都降低了平衡木评分;双侧抑制还延长了爬杆测试中从上端到下端所需时间。这说明这组细胞参与维持运动表现,而不只是在损伤后才发挥作用。

另一种短时光遗传抑制得到相近方向的结果:光照期间运动距离、速度和平衡表现下降。把活动降低与动作变化放在同一时间窗口中观察,为这组细胞的功能作用增加了证据。

原论文图 4降低ZI GABA能活动后的运动表现
降低ZI GABA能活动后的运动表现
图4展示单侧或双侧化学遗传抑制后,正常小鼠的平衡木与爬杆表现。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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损伤模型中,运动距离和速度提高

在6-OHDA模型中增强ZI GABA能细胞活动,运动距离和速度上升,平衡木评分也提高。步态分析还发现,前爪支撑基底宽度缩小,显示干预影响的不只是走得多不多,也包括身体怎样支撑和移动。

中心区域探索时间没有显著变化。运动距离、速度和平衡表现共同呈现了这种运动效应,对照载体动物没有出现相同的运动增强。

原论文图 5急性激活后的运动与步态
急性激活后的运动与步态
图5比较急性激活ZI GABA能细胞后的自主运动、平衡木评分、前爪支撑基底及中心停留时间。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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行为改善还伴随组织多巴胺增加

重复激活一周后,模型小鼠的运动距离、速度和平衡协调指标仍朝改善方向变化。右后爪的最大接触面积、足印长度、宽度和面积也增加。足印数据让运动改变有了更细的轮廓:动物不仅移动更多,落脚方式也发生变化。

组织检测发现,纹状体多巴胺与代谢物高香草酸(HVA)含量升高。这一结果来自重复激活组,测量的是组织中累积的含量;它把局部ZI活动与黑质纹状体系统的化学状态联系起来,尚未说明是哪条下游联系促成了变化。

原论文图 6重复激活后的足印与组织检测
重复激活后的足印与组织检测
图6展示重复激活后的运动、平衡协调和右后爪足印指标,以及纹状体多巴胺、DOPAC和HVA的组织检测。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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光刺激期间,运动表现同样增强

光遗传激活再次支持了这一方向。在单侧和双侧损伤模型中,激活ZI GABA能细胞都能提高光照期间的运动距离和速度,中心停留时间未显著改变;在Vgat-Cre小鼠中进行的细胞类型相关验证也观察到运动增强。

这种变化与激活时段相伴,说明对这组细胞的调节能够较快影响运动输出。结合化学遗传和重复激活结果,研究从不同时间尺度建立了ZI GABA能细胞与模型运动表现之间的联系。

原论文图 8光遗传激活中的运动变化
光遗传激活中的运动变化
图8比较单侧、双侧模型及Vgat-Cre小鼠在光照前、中、后的运动距离、速度与中心停留时间。
来源:Chen F et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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运动调节的线索,延伸到经典通路之外

ZI的联系十分广泛,局部细胞之间的抑制、向基底节或脑干的输出,都可能影响运动。作者提出这些方向作为机制解释,但本研究尚未把改善作用定位到某一条特定投射。它最直接揭示的,是一组细胞活动可以改变损伤后的运动输出。

证据来自雄性小鼠的6-OHDA模型,组织递质增加也没有直接显示受损神经元被重建。研究因此把问题从“多巴胺缺少了多少”拓展到“其他网络还能怎样调节运动”,为理解未定带的细胞功能增加了具体依据。

论文信息

Chen F, Qian J, Cao Z, Li A, Cui J, Shi L, Xie J.
Chemogenetic and optogenetic stimulation of zona incerta GABAergic neurons ameliorates motor impairment in Parkinson's disease
iScience · 2023-06-15
DOI: 10.1016/j.isci.2023.107149