我们利用一种帕金森病(PD)样小鼠模型,该模型在背侧裂缝核(DR)中过度表达突变的人类α-突触核A53T形式(h-α-Syn),开发了一种电生理记录方法,以探讨腹内侧前额叶皮层(vmPFC)-DR回路在PD抑郁/焦虑障碍中的作用。
方法文章
我们利用一种帕金森病(PD)样小鼠模型,该模型在背侧裂缝核(DR)中过度表达突变的人类α-突触核A53T形式(h-α-Syn),开发了一种电生理记录方法,以探讨腹内侧前额叶皮层(vmPFC)-DR回路在PD抑郁/焦虑障碍中的作用。
虽然帕金森病(PD)主要被认为是一种运动障碍,但非运动症状通常在运动缺损之前出现,并显著影响疾病进展,在所有疾病阶段都至关重要。其中,抑郁和焦虑是最常见的症状,女性的症状负担比男性高。血清素能(5-HT)系统的改变常与情绪障碍相关,帕金森病(PD)和抑郁症患者的5-HT包管核(RN)中观察到α-突触核(α-Syn)的积累。因此,理解这些非运动症状背后的神经回路至关重要。
本研究采用女性小鼠模型,在DR中过度表达突变的人类α-合成蛋白(h-α-Syn)——腹内侧前额叶皮层(vmPFC)-背侧缝核(DR)回路在帕金森病相关情绪障碍中的作用。我们的方法能够高分辨率评估下皮层(IL)和边缘前皮层(PL)在基础条件以及厌恶条件反射和消退期间的神经元活动。我们利用清醒、固定头部的小鼠的音光感官条件反射范式,利用多通道电生理探针记录神经元反应。实验在虚拟现实走廊中进行,将圆柱形跑步机与双屏视觉显示结合起来,既能保持行为参与,又确保对感官刺激的精确控制和记录稳定性。
该方案建立在IL和PL皮层在恐惧条件反射和消退中的既有参与基础上,提供了一个稳健的框架,用于研究与抑郁和焦虑样行为相关的神经回路中的动态神经活动。通过在受控条件下同时进行行为和电生理测量,该方法为阐明帕金森病非运动症状的神经生物学机制和测试潜在干预措施提供了有力工具。
帕金森病(PD)是一种运动障碍,但非运动症状已知早于运动表现出现,且在所有疾病阶段1、2、3、4阶段均至关重要。其中,抑郁和焦虑是最常见的神经精神症状,严重影响帕金森病患者的生活质量,并导致女性比男性更高的症状负担5。尽管如此,他们常常被低估且治疗不足。基于以上所有原因,了解帕金森氏症神经生物学及其相关神经回路对于对患者进行分层并提供更个性化的护理至关重要。
尽管帕金森病的病因部分尚不明确,但已识别出若干关键的神经病理特征。该病的特征是黑质纹状体系统中多巴胺能(DA)神经元和纤维的逐渐退化和丧失,导致PD 7,8的典型运动缺陷。PD的另一个特征是路易体(LB)和路易神经质——由纤维蛋白聚集体形成的细胞内包裹体——主要由α-突触核蛋白(α-Syn)9,10组成。神经影像学研究还显示,其他神经递质系统受到影响——甚至在DA参与之前——其中包括血清素能(5-HT)系统11,12,13。血清素能(5-HT)系统的变化通常与情绪障碍相关,已在被诊断为帕金森病(PD)和抑郁症患者的5-HT缝隙核(RN)中检测到α-突触核(α-Syn)沉积。
背侧锁链核(DR)是RN15中最大的5-闭合核,在情绪调节、感知、奖励、攻击性和社交互动中起着关键作用。因此,DR功能障碍与神经精神疾病如压力、焦虑和抑郁有关(15,16)。此时,强调DR与前额叶皮层(PFC)之间强烈的双向功能和解剖联系非常重要,前额叶皮层是高阶脑功能所必需的大脑区域。虽然前前额肌更偏背侧的区域与认知功能相关,但更腹内侧的区域(vmPFC)在情绪调节、动作控制、记忆和决策中起着基础作用(17,18)。因此,vmPFC和DR共同显著影响情绪,该回路活动改变与抑郁症状相关18。此外,RN中5-HT神经元中α-Syn的聚集已被证明会诱发焦虑和抑郁样表型19,20,21。
利用一种患有抑郁表型的PD雌性小鼠模型,通过腺相关病毒(AAV)载体在DR中过度表达突变的人类α-合成蛋白A53T形式(h-α-Syn),我们开发了一种电生理记录方法。该方法旨在探讨vmPFC-DR回路在帕金森病中抑郁/焦虑障碍中的作用。该方法通过单单元和局部场电位(LFPs)记录,评估清醒小鼠下皮层(IL)和前边缘皮层(PL)的神经活动。这是通过多通道探针配合虚拟现实运行器实现的。鉴于PL和IL皮层在厌恶条件反射中的参与,我们还测量它们在该范式下的活动,以评估它们在压力情境下的表现。必须明白,PL主要驱动条件反应,而IL皮层在这些反应的消亡中起关键作用(22,23)。
以下方案描述了植入头杆并在 体内快速记录PL和IL皮层电活动的步骤。我们通过虚拟现实走廊实现这一点,该走廊结合了为固定头部鼠标设计的圆柱形跑步机和双屏视觉显示。该方案分为四个主要阶段:(1)头杆植入手术,(2)习惯化,(3)记录与信号采集,以及(4)数据分析:尖峰排序和数据预处理。
在诱导大脑5-HT系统中h-α-Syn过表达三周后,小鼠接受头杆植入手术,从而实现后续的头部固定。经过一周的恢复期后,小鼠会习惯实验者以及跑步机和固定头部系统,持续4天。在记录日,该设备用于记录PL和IL皮层在基线条件下及厌恶条件反射下的神经活动。原始神经数据通过Kilosort4自动尖峰排序处理,随后在Phy2中手动整理,以提取高质量的单单位簇以供进一步分析(见图1)。
提议的清醒、固定头部多通道vmPFC记录协议相比传统替代方案如麻醉或体外制剂及无线记录在自由活动动物中具有多项优势。与麻醉或体外方法不同,该方法允许在虚拟现实环境中,在受控视觉和听觉刺激下评估vmPFC活动,这对于实施厌恶条件反射范式至关重要24,25。与自由移动的录音不同,固定头部配置提供了对感官输入和任务条件的精确实验控制,从而减少了变异性并实现了一致的试验结构。此外,集中注意力降低了自由移动范式中任务脱离的风险,尤其是在厌恶刺激下,同时仍允许高产率、稳定的多声道录音26。
从实际角度看,该方案要求动物习惯于头部固定和跑步机跑步,但它受益于市面上商业化且相对经济的头部固定系统,这些系统包含圆柱形跑步机。这使得该方法对小型实验室更为易用,因为探头可以多次重复使用(最多插入~10次),相比长期自由移动的植入物,成本显著降低。因此,该方法在实验控制、行为相关性和成本效益之间取得了平衡。另一个需要考虑的因素是厌恶条件反射范式的实施。本研究采用基于啮齿动物天生畏光的实验设计:10个听觉音调(条件刺激)后,每个音调后短暂暴露于强光(无条件刺激)。虽然这种模式比其他经典条件反射方法(如电击)压力更小,但它构成了更接近现实世界的压力源。
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所有实验均由年龄匹配的对照组进行,动物作设计遵循3R规则;根据欧盟指令2010/63(2010年9月22日)、西班牙立法(RD 1201/2005、L.32/2007和L.6/2013)所列举的伦理指南,并由瓦伦西亚自治政府批准(ES462500001003;参考号2023-VSC-PA-0073)及瓦伦西亚大学当地生物伦理委员会(参考号A20230214153605)。
注意:为确保安全和防止污染,整个过程中请佩戴个人防护装备,包括一次性手套和短靴、实验服、口罩和发网。根据当地法规和适用的国家回收计划,使用兽医药物回收系统处理因使用残留物而产生的残留物。
1. 鼠标模型生成
注:成年雌性C57BL/6J小鼠(9周龄)在受控环境条件下饲养(22±1°C;12小时明暗周期),可自由获取食物和水。
2. 头部-导骨植入手术
注意:在生成小鼠模型后3周,按照以下步骤进行头杆植入手术。
3. 习惯化
注意:一旦小鼠恢复术前体重(大约术后5至7天),开始为期4天的适应方案,逐步适应实验环境。
4. 探针准备
注意:要将探头连接到适配器(图3A),请按照以下步骤作:
5. 记录与信号获取
6. 数据分析:尖峰排序与数据预处理
注意:要分析细胞外神经记录并将单个尖峰归因于特定神经元,请使用Kilosort431 尖峰排序算法。
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利用详细实验方案对PL和IL皮层活动的最新记录揭示了重要发现:DR中的h-α-Syn过度表达,导致雌性小鼠出现焦虑样表现型,同时也改变了腹内侧vmPFC活性。通过基于Python的分析,我们证明了DR核5-HT神经元中的α-Syn过度表达改变了vmPFC-DR回路的放电动力学和功能组织,从而减少了神经元亚型之间的电生理区分。在对照动物中,神经元亚型基于电生理特性明显可区分,从而能够准确分类SST+、锥体和PV+神经元。相比之下,A53T α-Syn 过表达导致明显的分离性丧失,导致特征空间重叠,神经元群体间存在大量错误分类(见图5)。这种破坏反映了发射率分布的崩溃,表明α-Syn病理影响了维持正常条件下回路级组织的独特电生理身份。
图6展示了对照动物和那些过度表达突变A53T形式的h-α-Syn的神经元,利用我们自己的phyton程序(https://github.com/NeuronalCircuitsLab-UV/Papers-Projects/tree/ma...
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该方案采用了一种稳健的方法,用于在清醒、固定头部小鼠中进行PL和IL皮层的体内电生理评估,采用虚拟现实走廊系统。该方法的重要性在于能够在PD模型中直接研究vmPFC-DR回路,在觉醒状态下表现良好。即使头部专注限制动物的动作并可能带来压力,它仍能精确控制刺激,记录稳定性,并适合研究感知和认知过程,尽管可能不反映自然行为24,25。该方法相比体外或麻醉制剂具有显著优势,因为它允许研究神经活动在更具生理相关性的状态下,尤其是在厌恶条件反射中,这对应激情境进行建模(32,33)。事实上,在全身麻醉期间,行为状态和大脑整体活动,尤其是皮层反应,会发生深刻变化 34,35,36。
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作者声明没有利益冲突。
本研究由2023年BBRF青年研究员资助31547(MSA)、MCIU/AEI/FEDER欧盟资助PID2022-141700OB-I00、MCIN/AEI/10资助。13039/501100011033(阿尔伯塔省)、AGAUR 2021-SGR-01358、加泰罗尼亚政府(AB)以及PID2022-141733NB-I00(佛蒙特省)。我们还要感谢西班牙压力研究网络MCIN/AEI/10.13039/501100011033以及CB/07/09/0034心理健康生物医学研究中心网络(CIBERSAM)。MSA获得了瓦伦西亚大学颁发的玛格丽塔·萨拉斯奖学金(MS21-132),该奖学金由西班牙政府大学部重新分类,由欧盟资助,即下一代欧盟。
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| AAV1/2-CMV/CBA-人类A53T aSyn-WPRE-BGH-polyA | 查尔斯河 | GD1001-RV | 人类A53T aSyn |
| AAV1/2-CMV/CBA-Null/Empty-WPRE-BGH-polyA | 查尔斯河 | GD1004-RV | 空矢量控制 |
| ADPT A64-Om32x2 | 剑桥神经技术学院 | 全能学 2228 | 适配器 |
| 双组分外科硅胶 | 世界精密仪器 | 奎克-嫂子 | |
| 布托尔法诺尔 | Torbugesic 兽医 / cymit quí云母 | 67753-31-5 | |
| 杜拉莱 | 信实牙科制造 / 卡尔马 | 43640 | 牙科水泥及nbsp; |
| H9 多通道探头 | 剑桥神经技术学院 | ASSY-77 H9 | |
| EMLA乳膏(利多卡因/普里科莱因) | 利里奥斯·瓦恩蒂尔德;& 急性;Sempere 药房 | 679290 | |
| 微注射机 | 世界精密仪器 | KDS-310-PLUS | |
| MSS异氟醚蒸发器 | 英国医疗用品与服务 | MSSVAP02 | |
| 开放Ephys收购委员会 | 开放的Ephys | OEPS-9029 | 采购委员会;开放Ephys采集委员会可通过USB向计算机传输多达512通道的神经数据 |
| C&B元纽带 | 帕克尔 | S380-RD | 快速胶水 |
| 戊巴比妥 | 致命维托喹酚/默克生命科学公司,S.L.U. | P-010-1ML | 巴比妥酸盐 |
| 右转32通道及nbsp;头舞台 | Intan科技 | #C3314 | 头台适配器 |
| 冰晶流 | Thea S.A. Laboratories / Lirios Vañ& 急性;Sempere 药房 | 6515167 | 眼科凝胶 |
| 立体定向装置及nbsp; | 斯托尔廷 | 51730U | |
| 立体定向框架 | 成重 | SR-6N/SM-15R | |
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