【原】浅析光遗传技术在基底神经节运动调控机制研究中的应用

一、基底神经节直接与间接环路作用的机制

基底神经节环路的经典模型认为， 基底神经节通过两条神经通路的平衡来整合和精确调节运动， 但这种假设一直没有得到直接的实验证据支持。Kravitz 等 采用光遗传技术，通过 ChR2 激活小鼠基底神经节的直接通路，发现小鼠的移动速率、时间、频率明显增加；而激活间接通路时，结果却相反，且小鼠做精细动作的比例减少，为上述假说提供了直接证据。Cui 等结合光遗传技术和时间相关单光子计数技术研究发现，动物 开 始 运 动 时 D1-MSNs 和 D2-MSNs 均处于激活状态；Xin 等也发现快速运动序列起始和结束时 D1-MSNs 和 D2-MSNs 均被激活。但 Freeze 等却发现，不论用蓝光激活哪条通路的 MSNs，黑质网状部神经元的放电频率部分升高，部分降低，并未表现出一致的兴奋状态或抑制状态。

这一研究结果支持了与经典模型不相矛盾的另一个假说， 即两条通路的平衡在动作的选择过程中均起着重要作用，直接通路易化计划的运动，而间接通路抑制竞争动作的出现， 两者共同调节着基底神经节信息输出的时间精确性。之后，Tecuapetla等在对小鼠头部同侧和对侧偏转行为进行观察时发现， 抑制基底神经节其中一条通路将会损害小鼠向对侧偏转，而同侧偏转不受影响；同时抑制两条通路时，小鼠向对侧偏转的行为消失更偏向于同侧转向。这些结果充分表明， 基底神经节对运动的调控功能远比我们已经认识到的更为复杂。 

二、基底神经节功能紊乱与帕金森病运动障碍的关系 

PD 是一种神经退行性疾病，主要临床症状是静止性震颤、运动徐缓、肌肉僵直和姿势步态异常等。PD 的发病机制尚未明确， 但目前认为黑质致密部多巴胺神经元变性缺失及纹状体多巴胺水平降低是诱导 PD 发 生的早期原因。研究表明，PD 动物模型的纹状体神经元自发放电频率增高，丘脑底核神经元高频放电与爆发式放电增多，因此提出了 PD 发病可能是由黑质-纹状体多巴胺能系统活性减弱， 皮层-纹状体谷氨酸能系统活性增强所致， 而调节神经系统活性的神经递质首当其冲， 递质失衡可能是导致此现象发生的原因。

近来有研究发现， 利用光遗传技术刺激野生型小鼠纹状体 D2-MSNs 时出现了震颤等 PD 症状，而刺激PD模型小鼠纹状体的 D1-MSNs 则得到缓解，初步证实了PD病理状态下间接通路兴奋性升高、直接通路兴奋性降低可能是导致运动功能障碍的原因， 并提出激活直接通路可以作为今后 PD 的一种治疗方案。脑深部刺激（deep brain stimulation，DBS）近几年被用于 PD患者的手术治疗以缓解其运动障碍，但这种治疗手段在细胞水平的机制并不清楚且存在争议。Gradinaru等用光照逐个刺激或抑制自由活动 PD 模型小鼠的丘脑底核神经元、胶质细胞和纤维投射的不同回路，发现只有刺激丘脑底核传入纤维时震颤等症状才得以缓解， 提示 DBS 缓解 PD 症状的可能机制与间接通路的活性改变有关，这为今后使用光遗传技术治疗 PD 疾病提供了可能性。

三、光遗传技术在运动性疲劳中枢机制研究中的应用展望

运动性疲劳长期以来一直是运动生理学研究者们关注的热点问题， 人们对运动疲劳机制的认识经历了由外周到中枢的复杂过程。早期的研究多围绕循环、代谢、 肌肉及营养等外周因素与运动性疲劳之间的关系展开，近年来的研究表明，运动过程中肌肉工作能力的下降是由中枢神经系统无法充分驱动运动神经元所致。实验室围绕运动疲劳中枢机制展开了一系列研究， 结果发现运动疲劳时大脑皮层处于广泛抑制状态，纹状体高频、爆发式放电活动显著增加，苍白球外侧部神经元低频爆发式放电比例明显增加，丘脑底核神经元疲劳早期时过度兴奋 ，苍白球内侧部/黑质网状部复合体神经元电活动则明显增加。由此推测， 运动疲劳时基底神经节间接通路可能处于过度激活状态，作用的靶点可能在纹状体 D2-MSNs，但由于传统研究手段无法区分纹状体 MSNs 两类神经元的确切功能而难以定论。

未来可利用光遗传技术靶向性地操控纹状体 D1-MSNs 和 D2-MSNs 两类神经元的兴奋或抑制过程， 并将光遗传技术与在体多通道电生理信号采集技术相结合，阐明直接、间接通路在运动疲劳发生、发展、恢复过程中调控作用的差异性，初步构建基底神经节相关核团对运动疲劳贡献率的神经网络模型；另外，还可以结合脑片膜片钳技术，探究运动疲劳对不同类型神经元突触可塑性的影响， 从突触水平揭示运动疲劳的可能机制， 为进一步阐释基底神经节在运动疲劳中枢调控中的作用提供直接的实验证据，也为寻找延缓运动疲劳产生的新靶向药物提供科学依据。