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帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种神经退行性疾病,其临床症状不仅包括运动症状(motor symptoms),而且常常伴发非运动症状(nonmotor symptoms)。运动症状主要表现为运动徐缓、肌肉僵直和静止性震颤等运动障碍,而非运动症状则表现为睡眠紊乱及情绪情感障碍等。PD运动障碍的主要病因是基底神经节(basal ganglia)黑质致密部(substantia nigra pars compacta)中的多巴胺能神经元退变,致使基底神经节环路中的直接通路(directpathway)和间接通路(indirect pathway)的活动失衡。而底丘脑核(subthalamic nucleus,STN)是基底神经节环路中唯一的兴奋性谷氨酸能核团,不仅是经典间接通路中的关键结构,而且与皮层间构成超直接通路(hyperdirectpathway),甚至被认为是驱动整个基底神经节活动的起搏者(pacemaker)。同时,STN也是临床上深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)治疗 PD 的首选靶区之一。有趣的是,起源于下丘脑且常常并行的中枢组胺能神经系统(central histaminergic system)和中枢 orexin 能神经系统(central orexinergic system)均有向基底神经节的直接神经支配。并且,新近的许多临床证据表明中枢组胺能和orexin能神经系统很可能与PD的发生发展密切相关。PD患者脑内基底神经节和血液中的组胺浓度均显著升高,且黑质中的组胺能纤维投射密度和组胺受体密度均显著增加;而另一方面,PD患者和PD动物模型脑内的orexin能神经元则随PD发展发生严重的凋亡,且脑脊液中的orexin浓度也相应下降。然而,中枢组胺能和orexin能神经系统在经基底神经节环路介导的运动控制和PD运动障碍中的作用至今不明。因此,本文以中枢组胺能和中枢orexin能神经系统对STN这一基底神经节环路中关键结构的调控及其机制为着眼点,采用分子生物学、免疫荧光组织化学、离体脑片全细胞膜片钳记录、在体多通道记录和行为学相结合的方法,在分子、细胞、神经环路和整体动物行为水平上,深入研究组胺和orexin对STN神经元的作用及其受体和离子机制,特别是STN中组胺能和orexin能神经传入在基底神经节运动调控功能中的作用及其与PD运动障碍间的关系。研究结果不仅对全面认识组胺和orexin的运动调控功能具有重要的基础理论意义,而且对临床上优化帕金森病的治疗策略具有参考价值。一、中枢组胺能神经系统对STN神经元的调控及其在PD运动障碍中的作用STN不仅是基底神经节环路中的关键结构,也是临床高频深部脑刺激治疗PD患者运动障碍的首选靶区之一。有趣的是,随着PD的进展,基底神经节中的组胺水平显著升高。然而,对起源于下丘脑结节乳头体核(tuberomammillary nucleus)的中枢组胺能神经系统在基底神经节运动功能中的作用,以及DBS刺激STN改善PD运动症状的神经元机制仍知之甚少。我们的研究发现,STN神经元的放电模式(firing pattern)与放电频率(firing rate)相比对维持基底神经节正常的运动功能和改善PD运动障碍更为重要。组胺和高钾均能直接增加STN神经元的放电频率。但与高钾不同,组胺却能够显著改善PD运动障碍。我们的研究揭示,组胺是通过激活组胺H2受体及其耦联的超极化激活的环核苷酸门控阳离子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel,HCN通道)使STN神经元的放电模式规则化从而改善PD模型大鼠的运动症状。进一步地,在PD模型大鼠STN中过表达HCN2或对STN施予DBS均能够使STN神经元的放电模式规则化。这些研究结果表明,STN神经元放电模式的规则与否对于基底神经节的运动功能来说至关重要,而组胺和DBS都能够通过规则化STN神经元的放电模式从而改善PD运动障碍。这一结果提示,中枢组胺能神经系统对STN神经元放电模式的规则化和基底神经节的正常运动功能发挥了不可或缺的作用,为临床深入认识和理解DBS治疗PD运动症状的机制提供了全新的思路。二、中枢orexin能神经系统对STN神经元的调控及其在PD运动障碍中的作用起源于下丘脑外侧区(lateral hypothalamus,LHA)和穹窿周区(perifornical area,PFA)的中枢orexin能神经系统在机体许多基础生理功能调控中发挥重要作用。已经知道,其缺陷会在人和动物中导致嗜睡症(nacrolepsy),即表现为白天睡眠的过度增加。有趣的是,PD患者除了典型的运动症状外还常伴有REM睡眠行为障碍、嗜睡症型的白天过度睡眠发作、失眠等睡眠障碍。同时,PD患者脑内的orexin能神经元会随着PD病程的发展呈现进行性地丢失,且脑脊液中的orexin含量也显著降低,提示PD中伴发的睡眠障碍很可能与中枢orexin能神经元的退变密切相关。。我们的研究揭示,LHA/PFA中的orexin能神经元具有向STN的直接纤维投射,并且STN神经元上存在orexin 1型受体(OXlR)和orexin 2型受体(OX2R)的共表达。Orexin能够直接兴奋STN神经元,该效应是通过激活突触后OXlR和OX2R及它们所耦联的Na+-Ca2+交换体(Na+-Ca2+exchangers)和内向整流性型钾离子通道实现的。与组胺不同,STN中微量注射orexin显著地抑制正常大鼠的运动并使得PD模型大鼠的运动障碍恶化。PD造模14天后,阻断STN中的内源性orexin能神经传入能够显著改善PD运动障碍,但这一改善作用在PD造模21天和28天后逐渐减弱并消失,提示STN中的orexin能神经传入会随着PD的发展而降低。有趣的是,免疫荧光组织化学研究表明,LHA/PFA中投射至STN的orexin能神经元与投射至睡眠觉醒相关核团蓝斑的orexin能神经元并非同一类神经元。前者随着PD的进程发生显著凋亡,但是后者并不凋亡,提示PD中orexin能神经元的凋亡可能与运动障碍相关,却与广泛认为的睡眠障碍无关。综上所述,起源于下丘脑的中枢组胺能和orexin能神经系统均能通过对STN的直接神经支配参与经基底神经节环路介导的运动调控,并在PD运动障碍中发挥重要作用。尽管组胺和orexin均能够兴奋STN神经元,但由于组胺能够规则化STN神经元的放电模式,因而有助于PD运动障碍的改善。这些研究创新性地揭示了中枢组胺能和orexin能神经系统直接的运动调控功能,并为认识PD运动障碍和非运动障碍的神经机制和研发治疗新策略开辟了全新的视角。