丘脑底核两类神经元亚群对左旋多巴诱导性异动症的差异性贡献

《SCIENCE ADVANCES》：Distinct contributions of two subpopulations of subthalamic neurons to levodopa-induced dyskinesia

　　

丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）是治疗左旋多巴诱导性异动症（levodopa-induced dyskinesia，LID）这一帕金森病（Parkinson’s disease，PD）常见运动并发症的深部脑刺激（deep-brain stimulation，DBS）重要靶点。然而，STN-DBS对LID的精确影响仍不清楚。研究人员在此考察了STN内两类不同神经元群体在调控LID中的功能作用。在LID小鼠模型中，投射至苍白球内侧同源输出核（entopeduncular nucleus，EP）的STN神经元表现出U形激活模式，而投射至被盖网状核（tegmental reticular nucleus，RtTg）的STN神经元则主要表现为抑制性反应。激活EP投射型STN神经元可缓解异动症，但在帕金森状态下加重少动症。单独激活RtTg投射型STN神经元并不会诱发多动性特征，除非其与左旋多巴联合作用。上述发现揭示了两类在解剖学和功能上均彼此区分、并参与LID调控的STN神经元群体，为理解STN-DBS所依赖的神经环路提供了见解。

该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，聚焦帕金森病（Parkinson’s disease，PD）治疗过程中常见的左旋多巴诱导性异动症（levodopa-induced dyskinesia，LID），旨在阐明丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）内部功能异质性及其与深部脑刺激（deep-brain stimulation，DBS）抗异动效应之间的关系。左旋多巴虽是改善PD运动症状最有效的药物，但长期用药常引发异常不自主运动。临床上STN-DBS既可改善帕金森症状，又在部分条件下直接抑制LID，但也有研究提示某些刺激方式可能加重异动症，提示STN并非均一结构，而可能由具有不同投射靶点和行为效应的神经元亚群构成。正是在这一矛盾背景下，研究人员试图解析STN不同输出通路在LID中的具体作用。

目前该领域存在几个关键问题：其一，STN整体活动与运动促进、运动抑制以及异动症之间的关系并不一致；其二，既往关于STN刺激或抑制效应的结果相互矛盾，提示以“整体STN”解释LID并不充分；其三，尚不清楚STN-DBS的直接抗异动作用是否依赖于特定神经元亚群及其环路连接。开展本研究的必要性在于，只有将STN细分为功能明确的投射特异性群体，才能理解为何同一脑区刺激会产生抗少动与抗异动并存甚至相反的结果，并为更精准的神经调控治疗提供环路基础。

研究人员首先从全脑输出角度描绘STN的传出通路，随后结合逆行示踪，将STN中投射至苍白球内侧同源输出核（entopeduncular nucleus，EP）和投射至被盖网状核（tegmental reticular nucleus，RtTg）的两类神经元分别标记，定义为STN_EP与STN_RtTg。研究显示，这两类神经元在STN内具有不同空间分布：STN_EP主要位于前部-背侧，STN_RtTg主要位于后部-腹侧，且双重侧支投射比例较低，提示二者是解剖学上彼此区分的亚群。随后，研究人员在6-OHDA单侧损毁并经左旋多巴诱导的LID小鼠中，比较两类神经元的活动模式与行为功能，发现STN_EP在LID发作中被选择性激活，而STN_RtTg则几乎不与c-fos阳性细胞重叠。

为开展上述研究，作者主要采用了以下关键技术方法：以6-羟基多巴胺（6-OHDA）单侧纹状体注射建立LID小鼠模型；利用顺行AAV示踪、逆行AAV示踪及单突触狂犬病毒追踪进行全脑输入输出环路绘制；采用光纤光度法（fiber photometry）记录STN整体及投射特异性亚群Ca²⁺信号动态；采用光遗传学（optogenetics）对Vglut2阳性STN神经元、STN_EP和STN_RtTg进行激活或抑制；结合c-fos免疫染色、TH免疫染色、行为学AIM评分、运动轨迹与速度分析以及在体电生理验证操控效应。样本来源为雄性成年C57BL/6J野生型小鼠及Vglut2-Cre小鼠。

以下结合论文结果部分各小标题进行解读。

“Divergent efferent pathways of STN neurons”
研究人员采用Cre依赖AAV顺行示踪，对STN神经元全脑输出进行系统绘制，发现其突触终末广泛分布于EP、外侧苍白球（GPe）、黑质网状部（SNr）、前背丘脑核（AD）、脚桥被盖核（PPN）和RtTg等区域。进一步的投射强度相关性与层次聚类分析表明，EP和RtTg投射在拓扑上分别聚为独立簇，提示这两类靶向输出可能代表不同STN神经元群。逆行双标示踪进一步证实，STN_EP与STN_RtTg在胞体空间分布上明显分离，构成两个解剖学可区分的亚群。

“STN_EP neurons are selectively activated during LID”
在6-OHDA诱导的帕金森模型基础上，经连续左旋多巴给药形成稳定LID后，研究人员用c-fos染色评估不同投射亚群在LID高峰期的激活情况。结果显示，约40%的STN神经元在LID时呈c-fos阳性，主要位于背外侧STN。更关键的是，大多数STN_EP神经元出现c-fos免疫反应，而STN_RtTg与c-fos阳性细胞重叠极少。这说明LID状态下被优先招募的是EP投射亚群，而非RtTg投射亚群。

“Levodopa enhances the ensemble activity of the STN”
研究人员进一步以光纤光度法记录STN谷氨酸能神经元整体群体活动，比较帕金森状态、低剂量左旋多巴所致亚异动状态和高剂量左旋多巴所致LID状态。结果显示，左旋多巴总体提高STN群体Ca²⁺信号，但高剂量LID状态下活动并非单调增加，而表现为持续约90 min的U形变化，即先升高、后下降、再升高。相比之下，亚异动状态下STN活动较为平稳。该结果说明LID期间STN整体活动中并存兴奋与抑制成分，提示内部亚群或时相特异性调节的存在。

“Excitation of ensemble STN rescues dyskinetic behavior”
通过在Vglut2-Cre小鼠中光遗传操控STN兴奋性神经元，研究人员发现，在LID状态下激活STN整体兴奋性神经元可显著降低AIM评分，减轻躯干和肢体异常运动，并提高运动速度；相反，抑制STN兴奋性神经元会轻度但显著加重AIM。该结果表明，整体增强STN输出具有抗异动作用，而降低STN活动可恶化LID。不过，这种作用具有状态依赖性，在帕金森状态或亚异动状态下效应较弱，说明STN对运动的调控并非简单线性速率编码。

“STN_EP and STN_RtTg neurons display distinct dynamic patterns of activity during LID”
投射特异性光纤光度记录揭示，两类STN亚群在LID期间具有显著不同的动态模式。STN_EP神经元整体活动升高，同样呈U形曲线，且峰值高于帕金森状态；其短暂激活主要出现在AIM上升和下降转换阶段，提示该亚群与不自主运动的状态切换密切相关。相对地，STN_RtTg神经元在LID早期主要受抑，随后逐渐回升；在亚异动状态则总体表现为兴奋。将Ca²⁺信号与异动发作时间对齐后，STN_RtTg的较明显兴奋更多出现于AIM下降至结束阶段，并与旋转及速度变化相关。上述结果支持二者分别编码不同信息：STN_EP更接近异动切换控制，STN_RtTg则更多关联自发运动维持或更广泛行为调节。

“STN_EP and STN_RtTg ensembles oppositely regulate LID”
在因果性检验中，选择性激活STN_EP神经元显著降低AIM总分及各分项评分，说明该亚群激活可直接抑制LID；但在亚异动和帕金森状态中，其激活降低速度并加重少动，提示该通路同时承担运动抑制功能。相反，激活STN_RtTg神经元会加重LID，尤其增加口面舌相关AIM，伴随轻度速度下降。进一步抑制实验显示，抑制STN_EP可显著加重LID，而抑制STN_RtTg则使AIM轻度下降。由此可见，两类亚群对LID构成相反调节：STN_EP为抗异动通路，STN_RtTg则具有促异动倾向。

“Roles of STN neurons in the induction of dyskinesia”
研究人员继续考察这些操控是否足以在无左旋多巴或低剂量左旋多巴条件下直接诱发异动。结果显示，无论激活还是抑制STN_EP或STN_RtTg，在帕金森状态均不能单独诱发AIM；说明STN操控本身不足以启动典型LID。在亚异动状态下，抑制STN_EP可轻度加重不自主运动，而激活STN_EP则加重运动不能；激活STN_RtTg对运动模式也有一定扰动，但并不单独生成异动。该部分结果提示，STN主要影响LID的维持和调节强度，而非作为异动的原发起始部位。

“Inputs to STN_EP and STN_RtTg neurons”
通过单突触狂犬病毒逆向示踪，研究人员比较了两类亚群的全脑输入来源。STN_EP接受更多来自额叶皮层、GPe和束旁核（PF）等感觉运动相关脑区的输入；STN_RtTg则更多接受来自未定带（ZI）、下丘脑、终纹床核（BNST）和导水管周围灰质（PAG）等与本能和边缘功能相关区域的输入。尽管两者都接受GPe输入，但STN_EP偏向背侧GPe，STN_RtTg偏向腹侧GPe。该结果从输入组织层面支持两类亚群分属平行但功能不同的神经通路：前者更偏运动控制，后者更偏动机/情感相关调节。

讨论部分指出，STN-DBS兼具抗少动和抗异动效应的临床现象，实质上反映了STN内部神经元异质性。研究表明，前背侧分布、连接感觉运动网络的STN_EP亚群，在LID时被选择性激活，直接参与动作调制；后腹侧分布、接受边缘系统相关输入的STN_RtTg亚群，则对正在进行的行为具有更广泛调节作用。整体而言，研究人员认为，LID并非仅由STN整体放电率变化所决定，而更可能依赖不同亚群在空间与时间上的协同失衡。STN本身更主要参与自然动作维持及LID严重度调节，而LID的起始机制可能仍更接近纹状体投射神经元（SPNs）异常活动。

研究结论可译为：本研究揭示了STN内两类在解剖学和功能上彼此不同的神经元亚群参与LID调控。投射至EP的STN神经元在LID期间呈U形激活并发挥抗异动作用，但在帕金森状态下会加重少动；投射至RtTg的STN神经元则主要表现为抑制，并在特定左旋多巴背景下促进异动表现。这些结果证明，STN对LID具有直接影响，并为理解STN-DBS作用环路以及发展更精确的LID神经调控策略提供了重要依据。