M1 Nos1+神经元在运动学习及脑卒中后运动功能恢复中的关键作用

本期Cell Reports推荐南京医科大学朱东亚团队的研究：为解决脑卒中后运动功能障碍恢复难题，研究人员聚焦于初级运动皮层（M1）中表达神经元型一氧化氮合酶（nNOS/Nos1）的神经元，通过多学科技术手段揭示其在运动学习中的特异性激活及对神经可塑性、脑血流和神经网络振荡的调控作用，并证明激活该类神经元或使用一氧化氮（NO）供体可显著促进脑卒中后的运动功能恢复，为临床康复提供了新策略。

　　

脑卒中作为全球致残率最高的神经系统疾病，其导致的运动功能障碍严重影响患者生活质量。虽然急性期治疗手段不断进步，但大多数患者仍面临长期运动功能缺损的困境。当前康复治疗手段未能充分挖掘运动功能恢复的潜力，因此开发新型治疗策略迫在眉睫。运动学习作为恢复丧失运动功能的基本策略，其神经机制成为研究重点。初级运动皮层（M1）在感觉运动整合、自主运动精确控制以及运动技能学习中发挥核心作用，其中皮层特异性环路连接模式虽已明确，但细胞类型特异性对运动学习的响应机制尚不清晰。特别值得注意的是，神经元型一氧化氮合酶（nNOS，基因名Nos1）阳性神经元在突触可塑性和长时程记忆形成中起重要作用，但其在M1介导的运动学习及卒中后恢复过程中的具体功能仍未被阐明。

为深入探究这一问题，南京医科大学朱东亚、林玉辉及徐秀梅团队在《Cell Reports》上发表了最新研究成果。研究人员综合运用了转基因动物模型（包括Nos1-Cre与报告基因小鼠杂交）、病毒追踪技术（逆向及顺向腺相关病毒AAV）、在体钙信号光纤记录、膜片钳电生理、在体双光子显微成像（用于树突棘重塑和脑血流分析）、场电位记录、行为学测试（单颗粒抓取任务、旋转棒测试、网格行走和滚筒任务）、分子生物学以及转录组学分析等多种关键技术方法，样本来源于健康及脑卒中模型小鼠。

研究首先通过特异性标记和操控M1中Nos1+与Nos1-神经元，发现抑制Nos1+而非Nos1-神经元的活动会显著损害小鼠在单颗粒抓取任务和旋转棒任务中的运动学习表现，表明Nos1+神经元的激活对运动技能的获得和维持至关重要。进一步的钙成像结果显示，只有在成功抓取颗粒时，M1 Nos1+神经元才被特异性激活，而其兴奋性也在运动学习后选择性增强。

在机制探索层面，研究表明运动学习能显著增加M1内NO水平。利用条件性基因敲除技术特异性敲低M1的nNOS，或局部施用NO清除剂C-PTIO，均会损害运动学习，证实了nNOS衍生的NO在该过程中的必要性。病毒追踪实验揭示，M1 Nos1+神经元主要构成支配前肢运动的皮质脊髓束（投射至颈髓C5-C7节段前角）和皮质纹状体投射，而Nos1-神经元虽也投射至纹状体，但很少投射至颈髓前角，这种远程投射模式的差异可能是Nos1+神经元选择性调控运动学习的解剖学基础。

研究还发现，激活M1 Nos1+神经元能比激活Nos1-神经元引发更强的M1第5层锥体神经元树突棘重组，同时显著增加局部脑血流（CBF）并增强皮层低频θ和β振荡活动。转录组分析提示，Nos1+神经元的激活涉及学习、记忆和突触可塑性相关基因的上调，并且其活动对于纹状体突触可塑性（如LTP）至关重要。

将研究延伸至疾病模型，团队发现在脑卒中后亚急性期（第15至30天），M1区nNOS活性持续下降，但其蛋白表达量不变。在卒中修复期（第15-21天）通过化学遗传学手段特异性激活M1 Nos1+神经元，能显著促进小鼠运动功能的恢复，改善其在单颗粒抓取、网格行走和滚筒任务中的表现；反之，抑制其活动则加重功能缺损。进一步机制探讨表明，激活Nos1+神经元可逆转卒中引起的M1兴奋性降低、兴奋性突触传递减弱以及树突棘丢失，并改善M1至对侧皮层、同侧纹状体和对侧颈髓等远端靶区的功能可塑性。

基于上述机制，研究团队测试了NO供体治疗的潜力。在卒中后修复期局部施用S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）或口服单硝酸异山梨酯（IM），不仅能促进小鼠和大鼠的运动功能恢复，还能帮助动物回忆卒中前已学会的精细运动技能，且治疗剂量下未影响心率和血压。

综上所述，该研究确立了M1 Nos1+神经元作为一类关键的皮质脊髓神经元，通过nNOS-NO信号通路，整合调控运动学习相关的树突棘重塑、局部脑血流和网络振荡活动，是运动学习及其记忆巩固的细胞基础。研究进一步揭示了卒中后自发性功能恢复受限的部分原因在于Nos1+神经元活性降低，而通过化学遗传学手段激活该类神经元或使用NO供体进行干预，可有效促进卒中后的运动功能恢复。这些发现不仅深化了对运动学习神经环路的理解，更重要的是为开发以NO信号系统为靶点的脑卒中康复治疗新策略提供了坚实的实验依据和转化前景。