Molecularly distinct striatonigral neuron subtypes differentially regulate locomotion：揭示运动调控的新机制

在运动调控机制尚未完全明晰的背景下，研究人员围绕不同分子特征的纹状体黑质神经元（striatonigral neuron）亚型展开研究。他们发现 Kremen1+和 Calb1+神经元对运动有相反调节作用，这一成果有助于深入理解运动控制的细胞机制。

　　运动是动物生存和人类日常生活的基本能力，其背后的神经调控机制一直是生命科学领域的研究热点。在大脑中，纹状体黑质神经元（striatonigral neuron）在运动控制方面扮演着关键角色。传统观点认为，这类神经元主要促进运动，但实际上它们包含多种具有不同转录组特征的亚型，其对运动调节的具体贡献尚不明确。明确这些神经元亚型在运动调控中的作用，不仅能加深对正常运动控制机制的理解，也为相关运动障碍疾病的研究提供重要线索，比如帕金森病（Parkinson’s disease），其主要病理特征之一就是黑质多巴胺能神经元的退变，影响运动功能。

为了探究不同分子特征的纹状体黑质神经元亚型在运动调控中的作用，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）国家衰老研究所神经遗传学实验室转基因研究组的研究人员展开了深入研究。他们发现，Kremen1⁺和 Calb1⁺纹状体黑质神经元对运动有着相反的调节作用，这一发现为运动调控机制提供了新的见解，研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员开展这项研究主要运用了以下几种关键技术方法：首先是基因编辑技术，构建了 Kremen1^2A-Cre敲入（KI）小鼠等基因工程小鼠模型，用于标记和操控特定神经元群体；其次是光遗传学技术，通过向小鼠脑内注射携带光敏感蛋白基因的腺相关病毒（AAV），实现对特定神经元的光激活，进而研究其对运动行为的影响；此外，纤维光度测定法也被用于实时监测神经元活动和神经递质释放，如多巴胺（dopamine）释放的变化。

研究结果具体如下：

• Kremen1 转录本在背侧纹状体的分布特征：研究人员利用已发表的 patch reporter Nr4a1-eGFP 转基因小鼠，通过激光捕获显微切割技术获取背侧纹状体中含 eGFP 的组织（定义为 “patch”）和相邻组织（定义为 “matrix”）进行批量 RNA 测序。结果发现，与其他已研究的 patch 标记物相比，Kremen1 mRNA 在 patch 和 matrix 中的表达差异显著更高，且约 60% 的 Kremen1⁺ 纹状体内棘投射神经元（SPNs）为直接通路神经元（dSPNs），35% 为间接通路神经元（iSPNs）。这表明 Kremen1 可作为识别特定 SPNs 亚群的有效遗传标记。
• Kremen1^2A-Cre敲入小鼠的应用价值：研究人员构建了 Kremen1^2A-Cre敲入小鼠，并与 Ai14 报告小鼠杂交。结果显示，在 Kremen1^2A-Cre;Ai14 小鼠的背侧纹状体中可观察到明显的 tdTomato 信号，且与常用的 patch 标记物 MOR1 共定位。此外，通过向 Kremen1^2A-Cre小鼠背侧纹状体注射携带特定基因的 AAV，发现 Kremen1⁺ SPNs 的轴突投射到苍白球外侧部（GPe）、内苍白球（EPN，小鼠的 GPi 等效结构）、黑质网状部（SNr）和黑质致密部（SNc）等区域。这说明 Kremen1^2A-Cre小鼠为研究 patch 相关 SPNs 的解剖结构和功能提供了有用工具。
• Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 在运动过程中的活动变化差异：研究人员向 Kremen1^2A-Cre或 Calb1^IRES2-Cre小鼠背侧纹状体注射表达基因编码钙指示剂 GCaMP8s 的 AAV，并在同一半球的 SNr 植入光纤，记录小鼠在跑步机上自主运动时神经元的活动。结果发现，Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 的钙瞬变与运动速度变化相关，但在运动起始和结束时，二者的活动变化存在明显差异。Calb1⁺ dSPNs 在运动起始前活动增强，而 Kremen1⁺ dSPNs 在运动起始后活动才显著增加；在运动结束时，Kremen1⁺ dSPNs 活动呈上升趋势，Calb1⁺ dSPNs 则呈下降趋势。这表明它们在运动调控中具有不同作用。
• Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 对运动控制的相反作用：利用光遗传学技术，分别激活 Kremen1^2A-Cre小鼠和 Calb1^IRES2-Cre小鼠的 Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs。结果发现，激活 Kremen1⁺ dSPNs 导致小鼠运动速度显著降低，激活 Calb1⁺ dSPNs 则使运动速度明显增加。进一步分析表明，这种调节作用还与小鼠的运动状态有关，激活 Kremen1⁺ dSPNs 可抑制正在进行的运动，但在静止状态下会轻微增加运动；激活 Calb1⁺ dSPNs 对正在进行的运动无立即影响，但能在静止状态下触发运动。这充分证明 Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 在运动控制中发挥着相反的作用。
• Kremen1⁺ iSPNs 在运动控制中的作用有限：研究人员向 Kremen1^2A-Cre A2a^2A-Flp双敲入小鼠背侧纹状体注射光遗传学激活剂，特异性激活 Kremen1⁺ iSPNs。结果显示，高强度光刺激（3 mW/20 Hz，3 min）仅导致小鼠平均速度和每次运动持续时间适度增加，低光功率（0.25 mW 恒定刺激）下未观察到运动速度的明显变化。这说明 Kremen1⁺ iSPNs 在调节运动方面作用有限。
• Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 对多巴胺释放的不同调节：利用基因编码的多巴胺传感器 GRAB_rDA3m和光遗传学技术，研究人员在 Kremen1^2A-Cre和 Calb1^IRES2-Cre小鼠中评估了 dSPN 活动对背侧纹状体多巴胺释放的影响。结果发现，激活 Kremen1⁺ dSPNs 导致多巴胺水平逐渐降低，且刺激停止后出现多巴胺释放反弹；激活 Calb1⁺ dSPNs 则引起多巴胺释放的双相变化，即刺激开始时多巴胺信号短暂增加，随后减少，且其多巴胺释放减少的幅度远小于 Kremen1⁺ dSPNs。这表明 Kremen1⁺和 Calb1⁺ dSPNs 对多巴胺释放的调节方式不同。
• 基因敲低 GABA_B受体 Gabbr1 对运动的影响：研究人员通过向 Aldh1a1^CreERT2小鼠的 SNc 注射靶向 Gabbr1 的 Cre 依赖性 CRISPR/saCas9-Gabbr1sgRNA AAV，实现了在 Aldh1a1⁺ 黑质纹状体多巴胺能神经元（DANs）中特异性敲低 Gabbr1。结果发现，Gabbr1 敲低导致小鼠运动速度显著增加，且完全消除了 Kremen1⁺ dSPNs 激活引起的运动抑制和刺激后反弹效应。这证实了 GABA_B受体介导的抑制信号在 Aldh1a1⁺ DANs 调节运动控制中的重要作用。

研究结论表明，分子特征不同的 dSPN 亚群在运动控制中发挥着特定作用。Calb1⁺ dSPNs 通过抑制 SNr 的抑制性输出促进运动，而 Kremen1⁺ dSPNs 主要通过 GABBR1 介导的信号抑制 Aldh1a1⁺ DANs 来抑制运动。这一研究揭示了运动调控的细胞特异性机制，强调了分子标记在剖析神经元回路机制中的重要性，也为深入理解基底神经节运动控制中不同 dSPN 亚群之间的复杂相互作用提供了新视角，为相关运动障碍疾病的研究和治疗提供了潜在的理论基础和治疗靶点。