Sci Adv：高强度运动可以改善帕金森患者运动和认知功能

帕金森病（PD）是全球第二大常见的神经退行性疾病，除了运动迟缓、僵直和震颤等典型运动症状外，还会导致认知和情绪改变。既往已经有部分临床和实验研究证实，运动可通过经验依赖性神经可塑性改善轻度或中度脑部疾病患者的运动和认知能力。

然而，目前对运动诱导的纹状体突触连接和突触可塑性的机制尚不清楚。本研究使用了大鼠双侧纹状体内注射α-syn预成纤维(PFFs)模型。研究假设是：注射PFFs的大鼠接受高强度运动时纹状体LTP表达维持，黑质中的α-syn聚集和SPN中树突棘的缺失可以通过运动干预得以恢复，最终证实高强度运动干预对运动能力和认知能力都有益处。

基本知识说明：

α-突触核蛋白（α-syn）

棘突投射神经元（SPNs）

α-syn预成纤维（PFFs）

黑质(substantia nigra pars compacta, SNpc)

酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase , TH)

1.研究方案

在2-3个月龄大鼠纹状体内注射α-syn-PFFs或PBS（PFF组和对照组）。在注射4周后，分别设置对照久坐组、对照运动组、PFF久坐组和PFF运动组，共4组。运动组大鼠接受为期4周的跑步机训练，久坐组大鼠仅放置在跑步机设备中不进行干预，随后进行行为测试、电生理、Western blot、免疫组化等实验（Fig 1）。

Figure 1

2.行为学结果

研究者通过网格行走任务的结果发现，PFF久坐组大鼠到达网格顶部的潜伏期增加和静止时间增加，PFF运动组则相反。研究者通过视觉空间任务发现，对照组动物表现为更喜欢探索移位的物体（DO），而非移位的物体（NDO），而PFF久坐组则不是；此外，PFF运动组对DO的探索能力超过了对 NDO的探索能力（Fig 2）。

Figure 2

3.α-syn和HT+的表达

与对照组大鼠相比，PFF久坐组脑内SNpc的α-syn 在 Ser129 残基处磷酸化（p-α-syn）显著表达，该现象在腹侧被盖区（VTA）没有被观察到。在 PFF 运动组中，p-α-syn 选择性表达特异性增加被运动所逆转。研究者用SNpc 和 VTA 中的 TH+ 神经元进行半定量细胞计数来评估多巴胺能细胞的丢失情况，结果发现，与PFF运动组相比，PFF 久坐组SNpc神经元减少，这些变化未发生在 VTA。此外，PFF运动组大鼠的背外侧 (DL) 和背内侧 (DM)纹状体中的TH+免疫荧光，明显高于PFF久坐组大鼠。

研究者分析了纹状体中DA转运体（DAT）的表达量进一步探究多巴胺能突触前末端的功能完整性，结果发现PFF 运动组的纹状体中的DAT+免疫荧光显著高于PFF久坐组，且与PBS组相当（Fig 3）。

Figure 3

4. 突触可塑性

研究者通过分析纹状体棘突投射神经元（SPNs）在皮层高频刺激（HFS）下表达 LTP 的能力，反映纹状体神经元控制运动学习的能力。PFF久坐组记录到的纹状体神经元并没有对HFS方案表达这种形式的突触可塑性。PFF运动组中则观察到了明显的皮质 LTP。

LTP的去势（DP）是生理条件下活动依赖性皮质可塑性的典型特性。在PFF运动组中，恢复的 LTP 可以被逆转，并显示出对低频刺激（LFS）的生理反应，与对照组相似（Fig 4）。

Figure 4

5.BDNF-TrkB-GluN2B表达情况

对照运动组和PFF运动组的BDNF 水平均升高，BDNF受体肌球蛋白受体激酶B（TrkB）的总水平没有变化。用 ANA-12 （BDNF/TrkB通路抑制剂）以及TrkB 拮抗剂均表明，LTP的BDNF依赖性与BDNF水平的增加有关，除了能改变PFF大鼠模型中的可塑性外，还能对接受高强度运动的对照动物产生普遍影响。在生理条件下，LTP 是由 D1R 和 NMDAR 激活介导的，使用拮抗剂 SCH-23390直接导致运动诱导的 LTP消失，证实了这些受体的重要作用。相反，D2R在 LTP 诱导和维持中的仅起到了边缘作用。

在成年大鼠的生理条件下，表达 GluN2A 而非 GluN2B 的 NMDARs 对 LTP 诱导至关重要。对应的拮抗剂均可抑制运动诱导的 LTP，这表明 GluN2A 和 GluN2B的重要的作用。与生理条件不同，激活 SPN 中含有 GluN2B 的 NMDARs 对帕金森病动物运动诱导的 LTP 恢复至关重要（Fig 5）。

Figure 5

6.树突棘密度和特征

研究者通过高尔基染色对纹状体 SPN 中的树突棘密度进行了测量，并发现注射 PFF 对 SPN 的树突棘密度有显著影响和破坏作用。

PFF运动组与PFF久坐组相比脊柱树突棘密度更高。对照运动组和久坐组无类似表现。

突触棘的大小和形状变化与突触的成熟和稳定有关，细棘携带未成熟突触，粗棘携带成熟突触，因此我们测量了不同实验组 SPN 的棘头直径。除了 SPN 中棘刺的密度增加外，PFF注射对棘刺总数中细小棘刺的百分比有显著影响、处理和交互作用的显著影响（Fig 6）。

Figure 6

结论

研究结果证明了运动对早期帕金森病有益，以及与之相关的纹状体突触和可塑性机制，进一步支持了运动在帕金森病初期阶段重要治疗作用。

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