高频深部脑刺激缓解帕金森运动障碍新机制：GABA 异步释放的关键作用

帕金森病（PD）治疗中，丘脑底核（STN）高频深部脑刺激（DBS）机制不明。研究人员开展相关研究，发现 GABA 异步释放（AR）在缓解多巴胺耗竭小鼠运动功能中作用重要，为优化 DBS 参数提供参考，意义重大。

　　在神经系统疾病的研究领域，帕金森病（Parkinson's disease，PD）一直是备受关注的焦点。这是一种常见的神经退行性疾病，给患者的生活带来极大困扰，如运动迟缓、震颤和肌强直等症状，严重影响其生活质量。目前，深部脑刺激（Deep brain stimulation，DBS）技术已成为治疗帕金森病运动症状的重要手段，其中丘脑底核（Subthalamic nucleus，STN）是常用的刺激靶点。然而，令人遗憾的是，STN-DBS 发挥作用的细胞和环路机制却如同迷雾，模糊不清，甚至在一些方面还存在争议。比如，对于丘脑底核神经元在 DBS 刺激下究竟是兴奋还是抑制，学界尚无定论。这种不确定性使得临床医生在选择刺激参数时犹如在黑暗中摸索，难以最大化治疗效果并减少不良反应。因此，深入探究 STN-DBS 的作用机制迫在眉睫，它就像一把钥匙，有望为帕金森病的治疗开辟新的路径。

在这样的背景下，复旦大学的研究人员勇敢地承担起探索的重任，开展了一项极具价值的研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解帕金森病的治疗机制带来了新的曙光。研究发现，高频刺激（High-frequency stimulation，HFS）诱导的 GABA 异步释放（Asynchronous release，AR）在缓解多巴胺耗竭小鼠的运动功能方面发挥着至关重要的作用。这一发现意义非凡，它不仅揭示了高频 DBS 治疗帕金森病的潜在机制，还为优化 DBS 参数提供了关键的参考依据，为帕金森病的精准治疗指明了方向。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。在动物模型构建方面，通过向小鼠内侧前脑束双侧注射 6 - 羟基多巴胺（6-OHDA），成功制备了多巴胺耗竭小鼠模型；在检测神经活动方面，利用全细胞记录技术，记录 STN 神经元的电活动变化；同时，借助光遗传学技术，精准地激活特定神经元，深入探究其在 DBS 中的作用；此外，细胞消融技术的运用，帮助研究人员明确了某些神经元在 DBS 效果中的必要性。

下面让我们详细了解一下研究结果。

1. STN 高频刺激时发生异步神经递质释放：研究人员向小鼠内侧前脑束双侧注射 6-OHDA，成功构建多巴胺耗竭小鼠模型。免疫染色结果清晰显示，小鼠纹状体两侧的酪氨酸羟化酶（TH）信号大幅降低。通过植入电极给予电刺激，发现 130Hz 的 HFS 能显著提升小鼠的运动速度，减少不动时间，而 20Hz 的低频刺激（Low-frequency stimulation，LFS）则效果不佳。对 STN 神经元进行全细胞记录，发现 HFS 不仅能引发与单个电脉冲紧密相关的抑制性突触后电流（Inhibitory postsynaptic current，IPSC），反映出突触前神经递质囊泡的同步释放（Synchronous release，SR），还能触发与单个脉冲关联不紧密的突触事件，即异步释放（AR）。与 LFS 相比，HFS 诱导的 AR 更为强烈。在给予相同电荷量刺激时，HFS 依旧能显著提高 AR 比率和基础电流，这表明 DBS 的治疗效果与 HFS 相关的强 AR 密切相关，而非刺激脉冲的数量。此外，研究人员还检测了兴奋性突触后电流（Excitatory postsynaptic current，EPSC），发现 HFS 刺激初期，EPSC 总电荷量显著高于 LFS，主要原因是 AR 强度增加。
2. GABA 能突触传递在 DBS 效果中起主导作用：研究人员通过对 STN 神经元进行全细胞记录，观察其对不同频率刺激的反应。结果发现，10s 的 130Hz HFS 能使 STN 神经元的自发放电先受到强烈抑制，随后逐渐恢复，而 20Hz 刺激则无明显影响。HFS 还显著增加了瞬时频率的变异系数（Coefficient of variation，CV），表明其能使神经元放电去同步化。在更接近生理条件下（调整浴液中 Ca²⁺和 Mg²⁺浓度），AR 和去同步化放电依然存在。药理学实验进一步证实，GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱（Bicuculline，BCC）能完全阻断 130Hz DBS 对小鼠运动速度的影响，而激活谷氨酸能输入的作用相对较小，这充分表明 GABA 能突触传递在 STN DBS 中起主导作用。
3. 激活 GPe PV 神经元轴突对 STN DBS 效果至关重要：由于苍白球外侧部（Globus pallidus externa，GPe）为 STN 提供了大部分 GABA 能突触输入，研究人员对其在 DBS 中的作用进行了深入研究。他们向野生型小鼠 GPe 注射腺相关病毒（Adeno-associated virus，AAV），使 oChIEF 在 GPe 神经元中表达，然后进行光刺激实验。结果发现，光 HFS 能显著提高多巴胺耗竭小鼠的运动速度，而注射对照病毒的小鼠则无此效果。进一步在 PV-Cre 小鼠中进行实验，发现激活 GPe-PV 轴突能显著改善小鼠运动功能，而激活非 PV 轴突则无明显作用。选择性消融 GPe 中的 PV 阳性细胞后，STN DBS 对小鼠运动不再产生影响，这表明激活 GPe-PV 轴突对 STN DBS 的效果既是必要的，也是充分的。
4. PV 轴突高频刺激抑制并使 STN 神经元放电去同步化：研究人员通过在体单细胞记录技术，记录清醒自由活动小鼠 STN 神经元对 PV 轴突光遗传刺激的反应。结果发现，光 HFS 能降低 STN 神经元的放电频率，而 LFS 则无明显作用。分析神经元活动的同步性发现，130Hz 光刺激能增加单个神经元放电间隔（Inter-spike interval，ISI）和成对神经元间最近放电间隔（Inter cross-unit interval，ICUI）的时间距离和 CV，表明其能使 STN 神经元放电去同步化。对局部场电位（Local field potential，LFP）的分析也显示，130Hz 光刺激能显著降低低 β 振荡，进一步支持了 HFS 在降低低频网络同步性方面的作用。在体外实验中，对 STN 神经元进行光刺激，同样发现 130Hz 光刺激诱发的 IPSC 总电荷量在刺激初期显著高于 20Hz，且 AR 比率和基础电流在整个刺激期间差异显著，再次证明了 HFS 能触发 AR，并使 STN 神经元放电抑制和去同步化。
5. GPe PV 轴突 AR 强度调节 DBS 效果：研究人员通过螯合背景 Ca²⁺或下调 Ca²⁺传感器，对 GPe PV 神经元到 STN 神经元的 GABA 能突触 AR 强度进行调控。实验发现，应用 Ca²⁺螯合剂 EGTA-AM 后，130Hz 光刺激诱导的总电荷量、AR 电荷量和基础电流均显著降低，同时 130Hz 光刺激对小鼠运动的治疗效果也大幅减弱。而下调 Ca²⁺传感器 Synaptotagmin-1（Syt1）的表达后，LFS 刺激下的 AR 比率显著增加，达到与 HFS 相似的水平，此时 20Hz 光刺激也能显著提高小鼠运动速度，减少不动时间，表明增加 AR 强度能使 LFS 对多巴胺耗竭小鼠的运动产生有益影响。

研究结论和讨论部分再次强调了本研究的重要意义。研究人员明确了激活 GPe 的 PV 轴突而非非 PV 轴突，对 STN DBS 的有益效果至关重要。HFS 使 GPe PV 轴突释放的 GABA 去同步化，进而使 STN 神经元的放电去同步化，这可能是高频 DBS 治疗效果的潜在机制。此外，GPe PV 神经元到 STN 细胞突触的 AR 强度有望成为优化 DBS 参数的生物标志物。同时，本研究也指出了未来研究的方向，如进一步探究光电流诱导的亚阈值去极化对 GPe PV 轴突动作电位频率和突触传递的影响，以及通过高通量单细胞记录直接测量 DBS 治疗期间 STN 神经元同步性的变化，从而更深入地了解突触前 GABA AR 和突触后放电同步性在 DBS 治疗效果中的作用。总之，这项研究为帕金森病的治疗提供了新的理论依据和潜在的治疗靶点，为未来帕金森病的精准治疗奠定了坚实基础。