Cell子刊探秘：帕金森病震颤的神经环路机制
其特征为运动功能减退和运动功能亢进，如肌强直、运动迟缓和静息性震颤。帕金森病震颤的起源尚不清楚，传统观点认为神经元的爆发活动是自发性的。来自台湾长庚纪念医院的Ya-Chin Yang团队（Huang等）指出，丘脑下核的爆发放电完全依赖于运动皮层的输入，导致错误的重复输入信息从皮质-丘脑下核传到苍白球-丘脑-皮质环路，从而导致帕金森震颤。
PD的病理生理机制与多巴胺缺乏导致的皮质-基底神经节(BG)回路功能障碍密切相关，主要针对纹状体和丘脑下核(STN)。STN神经元接受来自突触输入的信息，可能以紧张性模式放电或(半)自主的突发模式放电。PD患者和动物模型的电生理特征为，多巴胺剥夺可能导致膜超极化以及STN神经元从紧张性放电模式到爆发放电模式转换。
快速失活的A型电压门控K+通道，在生理或多巴胺缺乏的帕金森病状态下，通过爆发模式的超极化膜电位使其更有效地从失活状态中恢复。对STN进行深部脑刺激也可以减少震颤和紧张步态，但STN和皮质-丘脑下核-苍白球内侧核（GPi）-丘脑-皮质环路中震颤发生的机制尚不清楚。并探究STN神经元通过基底神经节网络的“超直接”通路，接收来自皮层谷氨酸能递质的确切机制。
该研究表明，STN爆发放电不是完全自主的，与快速的谷氨酸能突触输入有关；4-氨基吡啶(4-AP)或其他特定的调节剂对A通道的抑制，将增加皮质-丘脑下核AMPA能递质的效果，从而增强STN爆发放电。4-AP直接作用于STN，可导致非常强烈的爆发放电，在运动皮层和骨骼肌中触发与帕金森震颤相似的θ频率电生理活动。帕金森大鼠反复出现如对侧前肢震颤、跨阈步态和单向旋转运动等过度运动行为，但都可以通过联合注射多巴胺能药物和全身服用抗胆碱能药物，阻断皮质-丘脑下核的快速突触传递，以消除STN爆发放电以及运动皮层的相关电生理活动和多动行为。
这些发现提供了皮质-丘脑下核(超直接)通路以及STN具有爆发放电功能的观点，这不仅可以阻断皮质-基底神经节回路传输，还可以通过GPi为丘脑皮层振荡系统增加新的节律，以解释帕金森病的运动功能减退和运动功能亢进等症状。
欢迎加入
全国ADPD学术讨论群
全国神经环路学术讨论群
添加小编微信
brainnews_11
-留言：加群+关键词
1.皮质-丘脑-谷氨酸能递质
精准地诱导STN爆发放电
研究者首先通过正常小鼠、大鼠和帕金森大鼠脑切片的细胞外细胞附着记录(细胞内完整内容)和全细胞记录，来表征STN神经元的自发活动(图1A和S2)。AMPA受体拮抗剂CNQX可以完全消除许多STN神经元的自发爆发放电(图1B)，这表明除了超极化膜电位外，谷氨酸能突触输入在爆发放电的产生中也起着至关重要的作用。与光刺激结果一致，电刺激皮质纤维可诱发STN神经元的爆发放电，而CNQX（拮抗剂）可完全抑制所诱发的爆发放电(图1C)。
在帕金森大鼠的STN神经元上重复了该实验，也发现皮质纤维的电激活显著地靠地诱导STN爆发放电(图1D)。皮质-丘脑下核传导显著地触发STN神经元并诱导伴随慢性多巴胺耗竭的爆发放电。此外，刺激皮层纤维可诱导突触后电位，并被CNQX完全消除(图1C和1D)。这些数据共同表明AMPA受体介导的快速谷氨酸能皮质-丘脑下核突触输入对STN神经元的突发活动至关重要。
图1 皮质-丘脑下核谷氨酸能递质激活STN神经元突触的爆发放电
2.A型K+通道抑制剂可显著增强由皮质-丘脑下核AMPA能突触输入诱导的丘脑下核EPSP和爆发放电
4-AP主要抑制A型电压门控K+通道，主要由中枢神经系统广泛表达的Kv1.4和Kv4亚家族基因组成，包括STN。虽然4-AP已被用于诱导边缘癫痫(爆裂)放电和癫痫发作，但其对STN爆发放电的影响尚未被描述。在原来沉默的STN神经元中，超极化膜电位为~-65mv, 4-AP容易诱发强大的爆发放电(图2A和2B)。在更高的去极化膜电位如-55或-60 mV时，STN神经元倾向于自发性紧张放电模式，并且4-AP略微增加了放电频率(图2C)，但效果不如在更高的超极化基线电位(因更多的A通道可用)时那么明显。
鉴于4-AP增加了突触电荷转移和/或保真度，为进一步研究了突触传递在4-AP诱导的爆发放电中的作用，用AMPA受体拮抗剂CNQX，可以消除STN神经元中4-AP诱导的脉冲放电以及EPSPs和EPSCs(图2D、3A、3C和3D)。而用四乙基氯化铵(TEA)不能复制4-AP的效果(图3B)，这说明A通道是作用靶点。
与NMDA受体相对缓慢的激活动力学一致，NMDA受体拮抗剂可能会影响爆发后电位，从而缩短爆发平台的持续时间(图3C)，但它们不会改变4-AP诱导的爆发速率。CNQX可以抑制所有A通道调节的爆发放电，强调了A通道、爆发放电和皮质-丘脑下谷氨酸能传递之间的密切相互作用。
图2 4-AP可增强STN中的谷氨酸能递质输入触发的爆发放电
图3 GABA能或NMDA能输入，或h电流在4-AP触发的爆发放电的发生中几乎没有作用
3.4-AP直接注入STN进行微透析可显著增强丘脑下核脉冲放电以及运动皮层和肌肉的相关活动
麻醉后的大鼠大脑神经元倾向于保持“down”或超极化状态，因此可以模拟帕金森状态。为了检查功能和行为影响的范围，研究者通过微透析将4-AP输入麻醉的帕金森大鼠STN，发现多单元记录(MU)中的爆发速率显著增加。当输入CNQX或NBQX，这种效果是可逆的(图4A和4B)。
这些发现表明，在体内STN爆发放电需要来自皮层的快速谷氨酸能突触输入，这一过程由A通道调节。同时向STN注入含有4AP的CNQX，相干性的增加很容易被逆转，这表明了超直接通路和原位A通道对STN活性的直接调节。
局部注射4-AP后，STN、M1和斜方肌的功率谱在2-6hz左右出现共同峰值密度(图4D)。而PD患者STN的θ频率(3~8hz)振荡与震颤相关。结果强烈提示，皮质-丘脑传导依赖的STN脉冲放电增强，通过GPi或EP使丘脑皮质振荡系统实现新的节律，以解释帕金森病多动运动症状。
4-AP增强的皮质-STN传播与PD中STN的大规模同步活动有关。局部应用4AP到STN进一步增加M1刺激诱导的LFP信号的幅度，并且在正常大鼠和帕金森大鼠的STN中共同应用CNQX的作用是可逆的(图5E)。
STN神经元的超极化膜电位和皮质-丘脑-丘脑下核的AMPA能递质的充分增强，导致了PD的STN神经元的爆发放电的增加，从而在运动皮层和肌肉的频率波段上诱导振荡，这与帕金森症状(如震颤)相关。
图4 通过微渗析将4-AP注入STN引起PD大鼠运动皮层和肌肉中爆发电位和相关活动
图5 STN中局部应用4-AP可增加PD大鼠的皮质-丘脑下核通路传导强度
4.多动行为与皮质-丘脑下核突触的超直接快速传递以及丘脑下核的较多爆发放电有关
接下来，研究者检查了行为后果的电生理特征(图6)。在显微镜下注射4-AP直接进入帕金森大鼠右脑STN导致过度运动的行为，特别是逆时针旋转(向对侧)和对侧前肢类震颤行为(图6A、6B、6D和6E)，揭示了一种与PD患者类似的“静息性震颤”，即前肢和下颚的震颤是典型的、节奏式的运动。
另外，4-AP注射也可以观察到运动不足或伴运动过度发作(图6F)。预先腹腔注射阿托品可显著保护由4-AP诱发的对侧前肢类震颤行为(图6G)，该实验设置很好地模拟了帕金森临床表现。
4-AP诱导的多动行为，在协同应用A通道特异性激活剂NS-5806(一种Kv4.3激活剂)后几乎完全可逆，表现出A通道特异性作用(图6D和6E)。在STN中注射特异性D1样(SKF-81297)和D2样(quinpirole)受体激动剂或多巴胺，都可以通过逆转膜电位的超极化来改善4-AP诱导的PD多动行为(图6D和6E)。
CNQX与4-AP同时注，可有效消除PD的多动性行为以及少动性行为(图6D-6F)，表明皮质-丘脑下核谷氨酸能突触，对于4-AP放大的STN爆发放电及其相关行为至关重要。震颤样行为的诱导依赖于增强的皮质-丘脑-丘脑下核传输以及多巴胺相关的超极化膜电位，两者对于STN中放大的爆发放电以及因此而增加皮质-丘脑下核-苍白球内侧核-丘脑-皮质回路中的增益都是必需的。
图6 在PD大鼠的STN中注入4-AP会引起多动行为
1.超直接通路输入AMPA能递质在帕金森病相关的脑电节律中起关键作用
我们提供了从细胞到行为相互支持的证据，AMPA受体介导的由A通道调节的谷氨酸能突触输入，对于确保适当的神经元爆发放电和STN回路振荡至关重要，而突发活动与PD的运动障碍有因果关系。我们的结果显示超直接通路促进了多巴胺受体激动剂改善的帕金森多动行为(图6D和6E)。
STN的主要神经元通过超直接通路接收来自皮质和苍白球外段的谷氨酸能（AMPA）和氨基丁酸能（GABA）递质输入基底神经节网络。在理想情况下，GPe的GABA能递质主要构成STN神经元外部超极化驱动，并恢复失活的T型Ca2+和Na+通道以产生爆发放电。我们的发现提供了一种观点，即谷氨酸能皮质-丘脑下核输入(超极化)是STN神经元爆发起始所需的去极化电位，并且在PD中增强。
2.通过A型K+通道与谷氨酸能突触传递的相互作用调节神经元爆发放电
4-AP和特异性A通道抑制剂通过突触前和突触后机制增加了EPSCs和EPSPs的发生和/或振幅，并增强了STN爆发放电。谷氨酸触发的突触后反应可能进一步由体树突状A通道形成，不仅决定了爆发放电的发生，还决定了爆发放电的构型，从而决定了从超直接通路和STN到下游细胞核(如GPi)的信息流。
3.皮质引起丘脑下核爆发放电的增强，大脑环路中出现帕金森样震颤
皮质-丘脑下核(hyperdirect)通路以及STN爆发放电图，可能通过GPi为丘脑-皮层振荡系统增加新的节律，以解释帕金森病的运动过度症状，如震颤。在帕金森状态下，通过异常增强的皮质-丘脑下核连接的皮质活动，提示帕金森病震颤的上游诱发因素，也可能需要在高血糖活动被传递后的下游引起丘脑震颤。
随着皮质-丘脑下核-苍白球内侧核-丘脑-皮质环路增益的增加，反射性运动皮质放电和振荡激动剂/拮抗剂将引起肌肉收缩增加，并导致帕金森病性震颤的症状。
4.超直接通路与STN爆发放电的双重功能研究
PD症状的发病机制是以多巴胺缺乏诱导STN爆发放电为特征，该状态导致运动迟缓，导致“信息传递中断，通过进一步增强皮质-丘脑下核传输，在皮质-丘脑下核-苍白球内侧核-丘脑-皮质环中断信息流的背景下，通过“错误信息中继”产生功能性STN爆发放电，触发震颤或慌张步态。
实验中注射到STN的4-AP导致双重行为，即运动不足或运动障碍期间穿插着短暂的运动过度发作。STN神经元的活动可能会影响到桥脚被盖核甚至小脑皮层的加工。在正常情况下，适量的STN爆发放电也可能具有双重生理功能，即在皮质-皮质下折返回路的神经调节中减少“噪音”和添加“信号”。
总结
综上，这些发现提供了皮质-丘脑下核(超直接)通路以及STN具有爆发放电功能的观点，这不仅可以阻断皮质-基底神经节回路传输，还可以通过GPi为丘脑皮层振荡系统增加新的节律，以解释帕金森病的运动功能减退和运动功能亢进等症状。
Huang et al., Conveyance of cortical pacing for parkinsonian tremor-like hyperkinetic behavior by subthalamic dysrhythmia, Cell Reports (2021)
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109007
编译作者：香蕉牛奶（brainnews创作团队）