帕金森病异常脑活动的皮质单细胞分子基础研究

本研究针对帕金森病（PD）异常脑电振荡活动的分子机制不明确的问题，通过对接受深部脑刺激手术的患者新鲜背外侧前额叶皮质组织进行单细胞RNA测序分析，揭示了小胶质细胞和星形胶质细胞中线粒体电子传递链和氧化磷酸化通路的富集与病理性脑活动增加及运动促进性脑活动减少的直接关联，并发现少突胶质前体细胞（OPC）功能失调和淋巴细胞驱动的适应性免疫介导的炎症小体激活与β-γ脑电相位-振幅耦合异常相关，为理解PD病理提供了免疫代谢失调的机制框架，为靶向治疗策略提供了新见解。

　　

大脑中的电活动就像一支交响乐团，不同频率的脑电波需要协调演奏才能维持正常的运动功能。然而在帕金森病患者的大脑中，这支乐团却出现了严重失调——β频段振荡过度活跃（被称为"抗运动性"节律），而γ频段振荡则明显减弱（被称为"促运动性"节律）。这种异常的电活动模式与患者的运动迟缓、肌肉僵硬等核心症状密切相关，但其背后的分子机制一直是个未解之谜。

更令人困惑的是，这些异常脑电活动之间还存在复杂的耦合现象，特别是β频段的相位与γ频段振幅之间的相位-振幅耦合（PAC）增强，被认为是破坏大脑网络动态的重要机制。虽然临床上这些电生理标志已经得到充分确认，但科学家们始终不清楚：究竟是什么分子和细胞层面的变化导致了这些异常电活动的产生？

传统研究大多使用死后脑组织或外周标志物，但死后样本存在RNA/蛋白质降解问题，而外周标志物又不能完全反映中枢神经系统的真实情况。这使得研究人员难以捕捉到大脑中实时发生的动态分子互动。为了解决这一难题，一项开创性的研究通过对活体患者新鲜脑组织进行单细胞分析，终于揭开了这层神秘面纱。

这项发表在《Research》上的研究采用了多项前沿技术手段。研究人员收集了14例接受深部脑刺激（DBS）手术患者的背外侧前额叶皮质（DLPFC）新鲜组织样本（9例PD患者和5例非PD对照），使用Singleron Biotechnologies的SCOPE-chip方法进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），共分析了101,691个RNA转录组。数据经过Seurat工具包处理，采用标准单细胞RNA-seq工作流程包括主成分分析（PCA）、聚类和t随机邻域嵌入（t-SNE）。差异基因表达分析使用伪批量方法结合DESeq2，基因集富集分析（GSEA）通过clusterProfiler进行，加权基因共表达网络分析（WGCNA）用于构建基因模块与表型的关联。电生理数据采集使用256通道HydroCel Geodesic Sensor Net系统，采用FieldTrip工具箱进行处理，相位-振幅耦合分析使用调制指数方法。

Broad cell type composition of PD and non-PD

研究人员首先描述了PD和非PD群体的广泛细胞类型组成。通过对49,330个高质量RNA转录组的分析，他们鉴定出11种不同的细胞类型，其中以神经胶质细胞为主：小胶质细胞（PD组47%，非PD组49%）、少突胶质细胞（39%和36%）、少突胶质前体细胞（OPC）（8%和5%）以及星形胶质细胞（2%和3%）。各组间细胞频率无显著差异，为后续分析提供了可靠基础。

Cell type-specific transcriptome profiling identifies metabolic and inflammatory pathways dysregulated in PD compared with non-PD

细胞类型特异性转录组分析揭示了PD相比非PD的代谢和炎症通路失调。在小胶质细胞中发现了34个上调和40个下调通路，主要涉及线粒体通路和代谢失调，关键基因包括HSP90AA1、HSPA1A、HSPD1和DNAJA4，这些基因参与蛋白质折叠和错误折叠。星形胶质细胞显示了25个富集和2个耗竭的基因本体生物过程（GO BP）术语，涉及抗原呈递和突触囊泡动力学。少突胶质细胞和OPC都显示了免疫和代谢通路的共同失调，其中OPC特别显示了白细胞介素-1（IL-1）通路的富集，反映了PD的炎症状态。

Cell type-specific gene coexpression correlates of abnormal brain oscillatory activity

细胞类型特异性基因共表达与异常脑振荡活动相关。研究人员在91例PD患者和38例健康对照中验证了异常电生理标志的稳健性，发现PD患者表现出增加的皮质β功率和减少的皮质窄带γ功率，以及增加的β-γ相位-振幅耦合。通过WGCNA分析，发现小胶质细胞中的两个模块（模块1和模块2）以及OPC中的两个模块与病理性脑活动相关，而星形胶质细胞中的两个模块与PAC相关。

Biological substrate driving pathophysiological brain activity

研究确定了驱动病理生理性脑活动的生物学基础。对相关基因模块的生物学意义评估显示，小胶质细胞模块1与β和γ功率相关，包含263个BP和33个分子功能（MF）过度代表术语；OPC模块1与运动迟缓相关标志活动相关，包含55个BP和42个MF过度代表术语。这些模块中的基因和通路与转录组分析结果重叠，表明异常节律振荡可能反映了由小胶质细胞和OPC引导的失调。

Putative genes of abnormal brain oscillatory activity in PD

研究人员确定了PD异常脑振荡活动的推定基因。通过重叠分析，在小胶质细胞中发现了59个基因，OPC中530个基因，星形胶质细胞中134个基因。这些基因中，HSP90AA1、HSPA1A、HSPD1和DNAJA4在小胶质细胞中上调，而P2RX7和PRKCB在OPC中上调。蛋白-蛋白相互作用网络分析揭示了这些基因在代谢和免疫过程中的核心作用。

研究讨论部分强调，PD中病理性增加的β功率和减少的γ功率作为电生理标志，与失调的分子通路密切相关。小胶质细胞、星形胶质细胞、OPC和少突胶质细胞的转录变化突出了代谢和免疫通路的关键参与。小胶质细胞和星形胶质细胞中的失调通路与蛋白质稳态和代谢相关，而OPC、少突胶质细胞和星形胶质细胞中的失调通路与炎症小体通路相关。多种神经胶质细胞的共同参与提供了神经炎症和神经退行性变通过代谢通路相互联系的证据，这些通路汇聚在少数关键基因上。

特别值得注意的是，HSPD1、P2RX7和PRKCB这三个主要上调基因在线粒体代谢失调中发挥作用。P2RX7是P2X家族成员，在神经炎症条件下表达上调；PRKCB定位于线粒体水平，参与线粒体完整性调节；HSPD1参与线粒体内的蛋白质折叠。线粒体蛋白质功能障碍导致过度氧化应激和细胞损伤，这些过程与PD相关。

神经炎症也与病理生理性脑活动相关。淋巴细胞介导的免疫和适应性免疫反应在PD中的参与与增加的PAC相关。热休克蛋白如HSP90通过调节P2X7R/NLRP3炎症小体等炎症过程发挥作用。HSPD1通过小胶质细胞激活发挥抗神经炎症作用，而P2RX7通过小胶质细胞介导的神经元死亡调节小胶质细胞激活和增殖。

蛋白质折叠和重折叠、分子伴侣介导的蛋白质折叠以及对未折叠蛋白质的反应在PD中已有描述，这些失调通路与增加的β和减少的γ功率有强烈关联。HSP90AA1、HSPA1A、HSPD1和DNAJA4在PD富集的代谢通路中上调。

这项研究的重大意义在于建立了免疫代谢失调作为PD运动症状电生理标志的分子基础。通过将新鲜皮质组织中的神经胶质细胞转录组改变与病理生理性脑活动直接联系，为理解活体患者中分子和电生理模式之间的联系提供了新证据。在这些细胞特异性富集的代谢通路和耗竭的免疫通路中，关键基因位于炎症小体的界面，因此可以作为患者分层的生物标志物或免疫调节治疗的靶点。这些发现不仅加深了对神经胶质细胞参与PD的理解，还为靶向神经胶质细胞免疫代谢功能障碍作为调节异常振荡活动的策略提供了机制理论基础。此外，这项工作为将人类中发现的振荡相关分子特征反向转化到临床前模型提供了框架，允许在疾病机制和治疗反应方面对P2RX7、HSPD1和PRKCB等候选基因进行实验验证。