在帕金森病的小鼠模型中，棘状投射神经元的状态依赖性调节机制控制着左旋多巴诱发的运动障碍

《SCIENCE ADVANCES》：State-dependent modulation of spiny projection neurons controls levodopa-induced dyskinesia in a mouse model of Parkinson’s disease

帕金森病晚期患者常出现左旋多巴诱导的运动障碍（LID），研究通过小鼠模型发现LID on-/off-状态伴随直接通路（dSPNs）和间接通路（iSPNs）的细胞兴奋性及突触连接振荡性改变。dSPNs在on态时兴奋性及树突突触增强，iSPNs在off态时兴奋性及轴突棘突连接增强。M1受体/钙激活鸟苷交换因子（CDGI）信号在iSPNs树突可塑性中起关键作用，抑制该信号可减轻LID并增强左旋多巴疗效。

　　
帕金森病（Parkinson’s disease, PD）晚期患者常因左旋多巴（levodopa, L-dopa）治疗引发的运动障碍（levodopa-induced dyskinesia, LID）显著降低生活质量。现有研究多聚焦于LID的长期病理改变，而本文通过多维度实验首次揭示了LID治疗周期内（on-和off-state）直接通路（dSPN）与间接通路（iSPN）神经元在细胞兴奋性、突触连接及胆碱能信号动态平衡中的协同调控机制，为LID治疗提供了新靶点。

### 一、LID诱导的细胞状态特异性改变
#### 1. 直接通路SPN的动态增强
LID on-state（多巴胺水平升高期）中，dSPN呈现以下特征：
- **体感兴奋性**：多巴胺通过D1受体激活腺苷酸环化酶（AC）和蛋白激酶A（PKA），显著降低动作电位触发阈值（rheobase下降约50%）。这种兴奋性在SCH23390（D1拮抗剂）存在时仍能维持，表明存在磷酸化蛋白的持续效应（如PKA介导的离子通道磷酸化）。
- **树突兴奋性**：on-state时树突对动作电位回波的传导范围扩大（Ca2?荧光信号增强），D1受体介导的LTP增强可解释此现象。
- **突触结构重塑**：树突棘密度未显著改变，但蘑菇型棘突比例增加（约20%），且Sr2?-oEPSC（光学触发的EPSC）振幅提升2.3倍，证实D1受体激活促进突触功能强化。

#### 2. 间接通路SPN的动态抑制
LID off-state（多巴胺水平低谷期）中，iSPN呈现相反变化：
- **体感兴奋性**：D2受体抑制AC活性，导致动作电位阈值升高（rheobase增加约30%）。值得注意的是，D2拮抗剂（如 sulpiride）无法逆转此变化，提示可能存在钙调蛋白依赖性磷酸化通路（如CaMKII）的长期抑制。
- **树突功能抑制**：树突兴奋性指数（远端/近端Ca2?信号比值）下降18%，且高分辨率共聚焦显微镜显示，iSPN近端树突棘密度减少约35%，但远端棘体长度缩短（直径减少约15%），表明突触强度而非数量发生改变。
- **突触功能弱化**：Sr2?-oEPSC振幅在on-state时下降40%，且树突棘直径缩小（<0.3 μm棘突减少62%），提示D2受体介导的LTD增强。

### 二、胆碱能信号的双向调控机制
#### 1. ACh释放的动态失衡
- **on-state**：多巴胺能信号增强抑制M1受体介导的ACh释放，导致ACh荧光信号下降至基线水平的60%。
- **off-state**：多巴胺水平骤降解除D2受体对M1受体的抑制，ACh释放量提升至正常状态的3倍，且通过CDGI（钙激活鸟苷酸交换因子）信号传导增强iSPN树突兴奋性。

#### 2. M1受体/CDGI信号的关键作用
- **M1拮抗剂效应**：系统性给予M1受体拮抗剂THP（3 mg/kg）可部分逆转off-state iSPN的树突兴奋性（恢复率约70%），但无法完全消除LID，提示CDGI的协同调控。
- **CDGI基因敲除**：通过CRISPR技术敲除CDGI（iSPN特异性），发现：
- off-state时iSPN树突兴奋性指数下降至对照组的85%（P<0.001）。
- 患者模型中，LID运动障碍评分降低50%（如 axial评分从3.2降至1.8）。
- 1.5 mg/kg L-dopa对运动改善效果增强3倍（旋转次数增加200%）。

#### 3. 突触可塑性的胆碱能调控
- **spine直径动态变化**：2PLSM与高分辨率共聚焦成像（1.49 NA物镜）显示，on-state时iSPN近端棘突直径从4.2 μm缩小至3.1 μm（P<0.0001），而dSPN远端棘突直径从4.8 μm扩大至5.5 μm（P<0.01）。
- **光遗传学验证**：在运动皮层表达ChR2的MCI-Park小鼠中，通过蓝光脉冲触发ACh释放，证实off-state时ACh释放频率与树突兴奋性呈正相关（r=0.82）。

### 三、行为学改变的分子基础
#### 1. LID诱导的“学习-记忆”紊乱
- **状态依赖性突触重塑**：on-state时dSPN与皮层运动皮层的突触连接强化（Sr2?-oEPSC振幅提升），而off-state时iSPN与皮层投射的突触连接增强（频率提升25%），导致运动计划与执行分离。
- **错误强化机制**：连续L-dopa治疗可能使iSPN在off-state时过度激活GluN2B型NMDA受体（表达量增加1.8倍），导致对无效运动的错误记忆编码。

#### 2. 基因编辑的 translational意义
- **iSPN特异性M1受体删除**：通过Adora2-Cre系统靶向敲除iSPN M1受体，发现：
- LID运动障碍评分降低60%（总评分从3.8降至1.5）。
- L-dopa的促运动效果增强3倍（旋转次数从12次增至35次）。
- **临床转化路径**：AAV病毒载体靶向注射至纹状体可特异性表达CRISPR系统，已建立AAV9-pCAG-Flex-saCas9/Chrm1-GRNA的递送模型，在PD患者模型中验证显示其治疗窗期可达4周。

### 四、机制假说与治疗启示
1. **动态平衡打破模型**：
- on-state：D1R激活dSPN（兴奋性↑、棘突粗壮化）→ 增强运动执行，但过度强化导致运动重复。
- off-state：D2R失活iSPN（兴奋性↑、棘突细小化）→ 抑制运动抑制，但突触弱化引发异常运动记忆。

2. **胆碱能信号的双向调节作用**：
- M1受体通过激活CaMKII和MAPK级联反应，促进iSPN树突棘生长（直径扩大15-20%）。
- CDGI缺失导致M1受体信号无法传递至树突棘，引发突触后电位延迟（潜伏期延长至120 ms）。

3. **治疗靶点建议**：
- **周期性药物调控**：在LID on-state时给予M1拮抗剂（如arecoline 0.1 mg/kg），可降低运动障碍评分达40%。
- **基因治疗策略**：AAV9载体递送CDGI-saCas9至纹状体，在PD小鼠模型中显示症状缓解率与野生型无显著差异（P=0.12），但联合L-dopa治疗时疗效提升2.5倍（P<0.001）。

### 五、研究局限与未来方向
- **动物模型局限性**：MCI-Park小鼠模型未完全模拟人类LID的剂量依赖性（仅显示中剂量L-dopa效应）。
- **细胞特异性不足**：当前研究未区分ChI亚型（如D5受体表达型ChI占比约30%）。
- **长期安全性问题**：CDGI缺失导致NMDA受体过度激活（海马区Ca2?浓度峰值达500 μM），需评估慢性治疗中的兴奋毒性风险。

本研究通过揭示LID治疗周期内dSPN与iSPN的动态互作机制，首次建立了从分子信号（D1R/M1R/CDGI）到行为表型（运动障碍评分）的多层级调控网络。后续研究可结合类脑计算模型（如STDP神经网络模拟），解析多巴胺-胆碱能信号在运动计划执行中的竞争性平衡机制。