​Cell | 中脑运动区神经元亚群的划分为帕金森不同症状的研究提供新策略

撰文 | Qi

运动对于所有物种的生存都是必不可少的，例如寻找食物这样的探索性运动，以及逃离危险这样的紧急响应。无论何种运动形式，其成功完成都需要对整个身体进行受控的姿势调整、肢体协调，以及有效抑制与运动不兼容的其他运动程序。

中脑运动区 (mesencephalic locomotor region, MLR )  通过整合许多输入并投射到下行和上行目标，发挥对运动调节至关重要的作用。目前，已经通过电刺激和光遗传技术更深入地了解MLR区域内的功能多样性，例如，MLR-vGlut2 （谷氨酸能） 神经元作为短延迟运动行为的神经解剖学基础 【1】 等。相比之下，MLR区域中脚桥核 （pedunculopontine nucleus, PPN） 内和周围神经元功能的研究较少，有报道提出应用PPN深部脑刺激 （deep brain stimulation, DBS） 能对帕金森患者的步态和平衡症状产生不同影响 【2, 3】 ，关键原因可能是PPN区域的功能多样性，除了向延髓的下行投射外，还有对脊髓 （spinal cord, SC） 的轻微投射，但尚未在功能上进行研究。PPNv-Glut2神经元也有多个上行目标，例如基底神经节和丘脑等。这些细分可能解释了在帕金森患者中进行DBS和MLR刺激研究中的不同发现。

近日，来自瑞士巴塞尔大学的Silvia Arber团队在Cell杂志上发表了一篇题为 Functional diversity for body actions in the mesencephalic locomotor region  的文章，作者 基于轴突目标、转基因标记表达、神经元活动谱和行为中的作用，将MLR-vGlut2 神经元分为不同亚群，并为设计出能改善涉及PPN区域的帕金森症状的新策略提供了重要信息。

首先，作者将具有Cre依赖条件性表达和逆行神经元靶向能力的腺相关病毒注射到选定的下行和上行MLR投射目标中 （图1） ，以确定MLR-vGlut2神经元的精确定位。虽然下行和上行MLR-vGlut2在很大程度上是独立的细胞群，但由于位于PPN区域内或周围，不能单纯通过位置来评估可能的不同功能。由于胆碱能 PPN神经元与谷氨酸能黑质 （substantia nigra, SN） 投射神经元相邻，作者想通过遗传手段来获取这些神经元。为此，作者将AAV-PHPeB-flex-nTag 病毒注射到Rbp4Cre转基因小鼠品系中，投射至SN的上行神经元群体主要以Rbp4Cre 转基因 (MLR-Rbp4) 特异性标记。

图1. 逆行标记策略

接下来，作者通过梯度折射率 (GRIN) 透镜与微型荧光显微镜耦合来监测不同神经元亚群的活动，主要是追踪频繁的自发行为的发生，如站立、理毛和持握食物，使用高速视频和惯性传感器数据的监督学习算法来识别行为事件。结果显示，在站立过程中MLR > SC神经元活动最为显着，相反，MLR-Rbp4神经元在前肢行为如持握和理毛开始时表现出强活性。

基于上述结果，作者通过功能缺失和功能获得实验进一步验证MLR > SC和 MLR-Rbp4 神经元在行为中的作用。首先，作者在MLR > SC 神经元中表达了光敏感通道蛋白stGtACR2 （抑制作用） ，并在站立过程中进行双侧激活。有趣的是，在光遗传抑制后不久，小鼠停止站立并缩短身体 （图2） 。相反，如果表达光遗传激活剂ReaChR，在刺激后不久，静止小鼠都会表现出一致的身体伸展。类似的，将同样的两种蛋白分别在MLR-Rbp4 神经元中表达，双侧光遗传学抑制可以导致身体运动不协调，而激活会导致身体运动快速停止。

图2. 光遗传手段研究MLR > SC 神经元的功能

总的来说，这项研究描述了PPN区域中清晰划分的上行和下行谷氨酸能神经元群体，而不同亚群的发现对于帕金森患者的DBS干预具有重要意义：PPN-DBS 被尝试作为一种可能的干预措施来改善这些抗药性症状，然而，数十年来尚未找到PPN内用于刺激的最佳位置。这一工作表明， 针对不同症状（比如保持姿势稳定或肢体跨步）需要刺激不同投射神经元，为帕金森症状的研究和治疗开辟了新的切入点。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.002

制版人：十一

参考文献

1. Caggiano, V., Leiras, R., Gon˜ i-Erro, H., Masini, D., Bellardita, C., Bouvier, J., Caldeira, V., Fisone, G., and Kiehn, O. (2018). Midbrain circuits that set locomotor speed and gait selection. Nature 553, 455–460.

2. Nowacki, A., Galati, S., Ai-Schlaeppi, J., Bassetti, C., Kaelin, A., and Pollo, C. (2019). Pedunculopontine nucleus: An integrative view with implications on Deep Brain Stimulation. Neurobiol. Dis. 128, 75–85.

3. Thevathasan, W., Debu, B., Aziz, T., Bloem, B.R., Blahak, C., Butson, C., Czernecki, V., Foltynie, T., Fraix, V., Grabli, D., et al.; Movement Disorders Society PPN DBS Working Groupin collaboration with the World Society for Stereotactic and Functional Neurosurgery (2018). Pedunculopontine nucleus deep brain stimulation in Parkinson’s disease: A clinical review. Mov. Disord. 33, 10–20.

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