差异性突触抑制介导深部脑刺激疗效的新机制：从电刺激到化学遗传学治疗的转化研究

《Nature Neuroscience》：Differential synaptic depression mediates the therapeutic effect of deep brain stimulation

本研究针对深部脑刺激(DBS)治疗帕金森病(PD)机制不明的难题，通过创新性地运用光谱分辨光纤光度术结合基因编码荧光传感器，首次揭示了高频丘脑底核(STN) DBS通过差异性抑制谷氨酸能突触和GABA能突触（谷氨酸释放减少程度大于GABA），改变局部兴奋/抑制(E/I)平衡从而抑制STN神经元的新机制。研究进一步证实化学遗传学抑制STN神经元可模拟DBS的治疗效果，为开发非侵入性、低成本的"化学遗传学DBS"替代疗法提供了直接证据，对推动神经精神疾病治疗发展具有重要意义。

　　

在神经科学和临床医学领域，深部脑刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)已经成为治疗药物难治性帕金森病(Parkinson's disease, PD)等神经系统疾病的有效手段。通过在特定脑区植入电极并施加高频电刺激，DBS能够显著改善患者的运动症状。然而，尽管DBS在临床上取得了显著成功，其作用机制至今仍未完全阐明，这严重制约了治疗方案的优化和新疗法的开发。

目前关于DBS作用机制存在多种假说。早期提出的"可逆性毁损"假说认为DBS通过抑制丘脑底核(subthalamic nucleus, STN)的过度活跃发挥治疗作用，因为STN神经元在PD模型中表现出病理性亢进，而STN毁损术确实能够缓解PD症状。然而，后续研究发现DBS不仅影响局部神经元，还会激活传入纤维和过路纤维，对基底节-丘脑-皮层网络产生复杂调控。光遗传学和化学遗传学研究也得出了不一致的结果，使得DBS的作用机制更加扑朔迷离。

这种机制不明确的状态给临床实践带来了显著挑战。DBS作为一种侵入性治疗手段，存在出血、感染等手术风险，且设备昂贵，需要终身植入，这些因素都限制了其广泛应用。更重要的是，如果能够明确DBS的作用机制，就有可能开发出更加精准、微创且成本更低的替代疗法。

为了解开这个科学难题，研究人员开展了一项创新性研究，重点关注STN这一PD治疗中最常用的DBS靶点。STN接受来自多个皮层区域的谷氨酸能输入和来自外侧苍白球(globus pallidus external segment, GPe)的GABA能输入，在运动调控中起着关键作用。研究团队假设，高频DBS可能通过差异性调节这些输入，改变STN局部的神经环路功能，从而产生治疗效果。

研究人员运用了多项前沿技术方法，包括光谱分辨光纤光度术、基因编码荧光传感器（GCaMP系列钙指示剂、iGluSnFR谷氨酸传感器、iGABASnFR GABA传感器）、化学遗传学（DREADD技术）以及两种PD动物模型（6-羟基多巴胺(6-OHDA)单侧损伤模型和MitoPark进行性模型）。通过在体实时监测神经活动、神经递质释放和行为学表现，系统阐明了DBS的作用机制。

Effect of DBS on STN neuronal activity

研究首先通过在小鼠STN神经元中共表达GCaMP6f和tdTomato，利用电极-光纤混合探针记录DBS期间STN神经元的钙信号变化。结果显示，高频DBS（130 Hz）在引起短暂激活后，会产生持续的STN神经元抑制，且抑制程度与刺激强度相关（100μA: -4.523±0.4202%; 150μA: -10.94±1.771%; 200μA: -15.87±2.846%）。同时记录STN神经元胞体和它们在黑质网状部(substantia nigra pars reticulata, SNr)的轴突末梢活动发现，两者在DBS期间均被抑制，表明DBS的抑制效应不仅局限于胞体，还延伸到输出通路。

Effect of DBS on afferent terminal activity

接下来，研究团队通过在不同类型的传入神经末梢表达GCaMP8f，探究DBS对STN传入纤维活动的影响。在谷氨酸能传入末梢（来自M1运动皮层）和GABA能传入末梢（来自GPe）中，DBS均引起持续的钙信号升高，表明显著的活动增强。这种兴奋效应与刺激强度正相关，且在不同标记策略中得到验证。

Effect of DBS on local neurotransmitter release

为了解释DBS为何在引起传入末梢兴奋的同时却导致STN神经元抑制，研究人员测量了DBS期间STN细胞外谷氨酸和GABA水平的变化。令人惊讶的是，尽管传入末梢钙信号升高，但两种神经递质的释放均显著减少。更重要的是，谷氨酸的减少程度显著大于GABA（100μA: ΔF_{Venus-iGluSnFR/tdTomato}% = -9.302±1.430, ΔF_{iGABASnFR/tdTomato}% = -4.296±0.9298），这种差异性抑制导致局部E/I平衡向抑制方向偏移。

Effects of therapeutic DBS in parkinsonian mice

在6-OHDA损伤的PD模型小鼠中，上述DBS效应得到重复验证，且只有高频DBS（130 Hz）能够纠正异常旋转行为，低频DBS（20 Hz）无效。重要的是，研究发现6-OHDA损伤导致STN神经元钙信号持续升高，而DBS可能通过对抗这种病理性亢进发挥治疗作用。

Behavioral impact of chemogenetic modulation of STN in parkinsonian mice

为了直接验证"抑制而非兴奋STN神经元是DBS治疗关键"的假说，研究比较了化学遗传学抑制 versus 兴奋STN神经元的行为学效应。结果显示，仅在表达抑制性Gi DREADD的PD小鼠中，CNO给药能够纠正异常旋转行为，而兴奋性Gq DREADD反而加重症状，明确证实STN抑制的治疗作用。

Therapeutic effect of 'chemogenetic DBS' in MitoPark PD mice

在更接近人类PD病程的MitoPark进行性模型中，双侧化学遗传学STN抑制能够显著改善运动功能，且单次CNO给药效果可持续5小时，长期给药（4周）未出现脱敏现象。直接比较显示，"化学遗传学DBS"在改善平衡协调能力方面甚至优于传统电刺激DBS。

研究结论部分深入讨论了差异性突触抑制的潜在机制，认为高频刺激下谷氨酸能突触的囊泡库可能比GABA能突触更快耗竭，这与之前在脑片研究中观察到的现象一致。谷氨酸在DBS结束后恢复较慢的特点也与谷氨酸能突触囊泡循环较慢的已知特性相符。这种差异性突触抑制可能代表了DBS在不同靶点（如GPi、Vim核）发挥作用的通用机制。

值得注意的是，突触前和突触后反应存在明显的时间差异：突触前钙信号在刺激开始瞬间升高，刺激停止后立即恢复；而突触后抑制效应出现缓慢，恢复也较慢。这种时程差异可能对应DBS不同的治疗效果——震颤缓解与快速突触前反应相关，而运动迟缓和强直的改善则与缓慢的突触后抑制更为匹配。

与之前Schor等人报道DBS升高STN神经元钙信号的研究相比，本研究结果的差异可能源于电极设计、刺激参数和治疗效果验证方法的不同。重要的是，本研究使用的DBS参数在PD模型中确实产生了明确的行为改善效果，而Schor等人使用的DBS未能纠正6-OHDA损伤小鼠的旋转偏倚。

研究最后指出，化学遗传学基因治疗相比其他STN靶向干预具有独特优势：可逆、微创且潜在成本更低。虽然目前在小鼠中实现STN特异性表达存在挑战，但随着更特异性启动子和RNA靶向策略的发展，精准靶向STN神经元的前景值得期待。

这项研究不仅揭示了高频STN DBS通过差异性抑制谷氨酸能和GABA能输入来抑制STN神经元的新机制，更重要的是提出了"化学遗传学DBS"这一创新治疗概念，为开发下一代神经调控疗法奠定了坚实基础。该研究成果对于理解DBS作用机制、优化现有治疗方案以及开发新型治疗策略都具有重要的理论和实践意义。