《Neurobiology of Disease》：Association between functional connectome features and circulating amino acid levels in early-stage Parkinson's disease: An exploratory study
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帕金森病（PD）日益被认为是一种多系统疾病，其中黑质纹状体多巴胺能变性伴随脑网络功能组织的广泛改变。这些异常涉及皮质-纹状体-丘脑-皮质环路以及支持运动、认知和其他非运动功能的分布式皮质和皮质下系统，并可在疾病的早期临床阶段被检测到。静息态功能磁共振成像（fM
帕金森病（PD）日益被认为是一种多系统疾病，其中黑质纹状体多巴胺能变性伴随脑网络功能组织的广泛改变。这些异常涉及皮质-纹状体-丘脑-皮质环路以及支持运动、认知和其他非运动功能的分布式皮质和皮质下系统，并可在疾病的早期临床阶段被检测到。静息态功能磁共振成像（fMRI）提供了一种在体物理测量方法，用于评估脑区间自发神经活动的时间同步性，因此可用于表征大脑的大尺度功能连接或所谓的功能连接组。当以图形表示时，功能连接组通常通过全局和局部拓扑指标来描述，反映网络整合与分离，以及区域间功能交互的数量和强度。在先前一项针对大样本早期PD患者队列的研究中，两个全局和四个区域图形理论指标能够区分患者与健康对照（HC）受试者，预测两年随访期间的临床进展，并提示功能连接组拓扑可能提供早期疾病相关脑功能障碍的敏感标志物。然而，导致这些大尺度脑网络异常的生物学机制仍不完全清楚。尽管多巴胺耗竭是PD病理生理学的核心，但越来越多的证据表明，谷氨酸能神经传递在疾病早期阶段也发生改变，特别是在皮质-纹状体环路内，并通过涉及N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）活动的变化实现。特别是，NMDAR介导的信号在兴奋性突触传递、神经元可塑性以及分布式神经群体间活动的协调中发挥主要作用。因此，谷氨酸能系统稳态的紊乱可能不仅导致局部突触功能障碍，还导致功能性脑网络大尺度同步性和拓扑的选择性改变。谷氨酸能受体在中枢神经系统中的功能取决于兴奋性氨基酸的内在可用性，包括L-谷氨酸（L-Glu）、L-天冬氨酸（L-Asp）、D-天冬氨酸（D-Asp）、甘氨酸（Gly）、D-丝氨酸（D-Ser）及其前体L-谷氨酰胺（L-Gln）、L-天冬酰胺（L-Asn）、L-丝氨酸（L-Ser）和L-丙氨酸（L-Ala）。这些神经活性生物分子还参与与线粒体功能、细胞生物能量学、炎症和氧化应激相关的更广泛代谢途径。近期证据显示PD中循环氨基酸谱发生改变。特别是，男性早期PD患者血液中L-Glu和L-Asp水平降低已有报道，而涉及L-Ala、L-Ser、L-Asn、L-Gln和其他氨基酸的更广泛异常在接受慢性多巴胺能治疗的患者中被观察到。然而，循环氨基酸失调的生物学解释需要谨慎，因为外周浓度不能被视为中枢神经系统神经递质可用性的直接测量。相反，它们可能反映与疾病相关脑功能障碍同时发生或促使其发生的氨基酸代谢的复杂系统性改变。此外，尽管有独立证据表明PD中神经活性氨基酸稳态和功能网络组织均存在可测量的改变，但这两个生物学异常特征是否相关仍未知。因此，研究人员假设参与谷氨酸能神经传递的循环氨基酸的个体间变异可能与早期PD功能连接组拓扑的变化相关。系统性氨基酸代谢可能通过几条间接途径与功能性脑连接相关。氨基酸参与支持神经递质合成的代谢途径，其跨血脑屏障的转运可能受转运体特异性机制调控。因此，循环水平可能反映与大脑内氨基酸可用性相关（尽管不是其直接测量）的更广泛代谢背景。在此，谷氨酸能传递，包括NMDA受体介导的信号，有助于神经元兴奋性和环路活动。在PD中，这些神经化学过程可能与基底神经节环路的多巴胺能调节相互作用，影响多个脑区神经活动的时间协调。由于fMRI信号反映与神经活动耦合的血流动力学反应，这些效应也可能反映在fMRI衍生的功能连接估计中。为检验这一假设，研究人员检查了血清氨基酸浓度（通过高效液相色谱（HPLC）生化测量获得）与功能连接组图形理论指标（通过静息态fMRI神经测量获得）之间的关系，研究对象为早期PD患者和年龄、性别匹配的HC受试者组成的队列，他们在同一天接受血液采样和MRI扫描。基于先前在神经和生化水平独立获得的发现，主要分析聚焦于一组有限的六个图形理论指标和两种特定的L-氨基酸（L-Glu、L-Asp），这些先前已被证明在早期PD中发生改变，连同相关的（衍生）代谢比率。随后，研究人员探索了更大的L-氨基酸面板，最终考虑了多巴胺能治疗的潜在效应。由于先前证据显示性别差异影响大脑的内在（静息态）fMRI连接和神经活性氨基酸的血清代谢组谱，且循环氨基酸异常在男性PD患者中尤为显著，验证性和探索性统计分析均按性别分层进行。
研究背景：帕金森病（PD）是一种多系统神经退行性疾病，除黑质纹状体多巴胺能变性外，还涉及皮质-纹状体-丘脑-皮质环路及分布式皮质和皮质下系统的广泛功能组织改变。静息态功能磁共振成像（fMRI）可表征大脑大尺度功能连接即功能连接组，通过全局和局部拓扑指标反映网络整合与分离。先前研究表明功能连接组拓扑指标可区分早期PD患者与健康对照（HC）并预测临床进展，但导致这些大尺度脑网络异常的生物学机制尚不清楚。谷氨酸能神经传递在PD早期即发生改变，特别是NMDAR介导的信号在兴奋性突触传递和神经元可塑性中起重要作用。谷氨酸能受体功能依赖于兴奋性氨基酸的内在可用性，包括L-Glu、L-Asp、D-Asp、Gly、D-Ser及其前体。近期研究显示PD中循环氨基酸谱发生改变，男性早期PD患者L-Glu和L-Asp水平降低。然而，循环氨基酸失调与功能连接组拓扑之间是否相关尚不清楚。因此，研究人员假设参与谷氨酸能神经传递的循环氨基酸的个体间变异可能与早期PD功能连接组拓扑变化相关，并开展了这项探索性研究。
研究方法：研究纳入74例早期PD患者（37例未用药，37例接受多巴胺能治疗）和20例HC受试者，同日进行血液采样和MRI扫描。采用HPLC测定血清D-和L-氨基酸含量，采用3T fMRI获取静息态功能连接数据，基于Brainnetome图谱（246个脑区）构建功能连接矩阵，使用Brain Connectivity Toolbox计算图形理论指标（节点强度NS、聚类系数CC、全局强度GS、特征路径长度CPL），并按性别分层进行ANCOVA和多变量线性回归分析。
研究结果：（1）人口学和临床特征：PD组与HC组在性别分布和年龄上无显著差异。（2）血清D-和L-氨基酸水平：PD患者D-Asp水平显著高于HC（中位数0.24 vs. 0.15 μM，p=0.034），D-Asp/Tot-Asp比值呈类似趋势但未达统计学显著性（p=0.062），其余氨基酸无显著组间差异。在PD组中，D-Ser、L-Gln、L-Arg和L-Ala与LEDD正相关；男性PD患者中L-Glu和Tau与年龄正相关，D-Ser和L-Arg与LEDD正相关；女性PD患者中未观察到显著相关性。（3）fMRI特征与氨基酸血清水平的协方差：在男性PD（vs.男性HC）中，ANCOVA显示感觉运动皮质节点强度（NS-SENSMOT）与L-Asp（p=0.0092）和L-Glu（p=0.010）血清水平存在显著的疾病×浓度交互效应；D-Asp/Tot-Asp比值存在显著的浓度效应（p=0.0025）；Gln/Glu比值也存在类似的较弱交互效应（p=0.02）。在男性PD患者中，NS-SENSMOT和皮质下节点聚类系数（CC-SUB）与D-Asp/T-Asp比值负相关，颞叶节点聚类系数（CC-TEMP）与L-Asp正相关，特征路径长度（CPL）与L-Glu负相关。基于D-Asp/T-Asp比值的联合残差，男性PD患者自然分为两个亚组：聚类1（n=15）的NS-SENSMOT和CC-SUB均高于预期值，聚类2（n=17）均低于预期值；聚类1的UPDRS-III评分（经年龄、LEDD和病程调整后）显著低于聚类2（p=0.046）。女性PD组中未观察到显著效应。（4）fMRI特征与血清氨基酸水平的多变量回归：在男性PD患者中，L-Ala浓度对颞叶节点聚类系数（CC-TEMP）、全局强度和特征路径长度均有显著效应（p<0.05）；L-Ala浓度升高贡献于全局强度和CC-TEMP的显著降低以及CPL的显著增加。在未用药男性PD患者中，L-Ala的效应模式基本不变。在接受治疗的男性PD患者中，L-Ser水平的效应变得显著（p<0.05），对全局强度及颞叶节点的强度和聚类系数均为正向效应；当模型限制为L-Asp、L-Glu、L-Ser和L-Ala四个变量时，L-Ser对全局强度和CPL的显著效应更加明显，而L-Asp和L-Glu的贡献不显著。
讨论部分总结：本研究首次在早期PD患者中将fMRI连接组拓扑特征与血清兴奋性氨基酸水平进行关联分析。主要发现包括：（1）男性早期PD患者中L-Glu和L-Asp水平升高与功能连接组拓扑更好的保留相关；（2）L-Ser水平升高在接受治疗的PD患者中对功能连接组产生正向影响；（3）L-Ala水平升高与功能连接组拓扑更差的保留相关，尤其在未用药PD患者中。研究强调循环氨基酸浓度不能直接 extrapolate 到特定脑结构，fMRI功能连接仅为神经元通信的间接血流动力学相关物，观察到的关联不能建立生物学机制或确定因果关系。研究主要局限性包括样本量较小、缺乏纵向随访、饮食和系统代谢等混杂因素未完全控制、HC组样本量过小无法得出机制性结论、功能网络密度仅采用固定10%比例阈值未验证多阈值稳定性。未来需要在更大规模性别分层队列中验证，并结合中枢谷氨酸能功能测量和纵向评估以确定这些关联的生物学和临床意义。
研究结论翻译：综上所述，研究人员发现，在男性早期PD患者中，（i）两种最丰富的兴奋性氨基酸（L-Glu、L-Asp）水平升高与功能连接组拓扑更好的保留相关，（ii）L-Ser水平升高（已知作为两种特定NMDAR共激动剂D-Ser和Gly的前体）对功能连接组产生正向影响，尤其在接受治疗的PD患者中，（iii）L-Ala水平升高（主要指示生物能量稳态失败，因其参与葡萄糖-丙氨酸循环）与功能连接组拓扑更差的保留相关，尤其在未用药PD患者中。
