丘脑纹状体通路在帕金森病大鼠运动障碍中的研究

发布时间：2020-11-04 07:32

　　 帕金森病(Parkinson's disease,PD)是一种复杂的神经退行性疾病,常发于中老年期,临床表现有各种运动和非运动症状。运动症状表现为运动障碍、肌僵直、静止性震颤和姿势不稳等。PD主要病理特征为黑质纹状体通路中多巴胺能神经元的变性缺失。多巴胺(Dopamine,DA)的缺乏会导致基底神经核-丘脑神经环路的神经元活动异常和同步性增强,这可能与PD运动症状有关。中央中核/束旁核(Centromedian-parafascicular complex,CM/PF,在啮齿类动物中为PF),属于丘脑的板内核群,是PD后丘脑核团中出现神经元大量损伤的主要核团。近年来的研究发现,对PF进行的高频深部脑刺激(Deep brain stimulation,DBS)可以缓解刺激其它核团或药治疗难以改善的症状,如震颤和认知失调等。因此,PF作为新兴治疗位点,越来越受到人们的广泛关注。在PD患者和麻醉的PD动物模型中,PF核团内神经元的电生理活动发生了变化。因此,在不同的行为状态下,探讨PD对PF神经元电生理活动的影响仍然是必要和紧迫的。近年来,丘脑纹状体通路在PD研究中受到越来越多的关注。脑切片的电生理学研究发现,在PD之后PF到纹状体的突触传递出现了功能失调。然而,目前还没有实验研究PD之后PF和纹状体之间振荡活动相关性的变化。尽管,PF已经作为DBS的靶点来治疗PD的一些运动症状,但其基本机制尚不清楚。PF的DBS可能通过丘脑纹状体通路来发挥作用。鉴于此,本研究旨在研究动物清醒静止和运动状态下,PD对PF和纹状体两个核团以及丘脑纹状体通路的神经电生理活动的影响。因此,本实验利用在体多通道神经电信号采集技术,在对照组和PD组大鼠脑内植入微电极,记录了大鼠在清醒静止及跑步机运动状态下PF和纹状体内神经元的锋电位(Spikes)和局部场电位(Local field potential,LFP)的活动。同时,利用免疫荧光组织化学染色及激光共聚焦扫描成像技术,探索了大鼠PF内神经元的类型及PD组大鼠PF内神经元的形态变化。通过本研究,我们首次将PF核团内神经元按照电生理学特征分为两个主要亚型:PF I和PF II。根据采集到的神经元放电特征我们将纹状体内神经元分为三类,分别对应为中型多棘神经元(Medium spiny neuron,MSN),快速放电中间神经元(Fast spiking inerneurons,FSI)和胆碱能中间神经元(Cholinergic interneuron,CIN)。在本研究中,6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)造模广泛的改变了PF和纹状体核团内神经元的电生理活动及丘脑纹状体通路的神经电生理活动。PD之后PF核团的神经元放电率和放电模式均发生了改变。PF核团内的LFP也出现了不同程度的变化。在大鼠跑步机运动状态,PF I类和PF II类神经元的锋电位发放率都显著下降,但是只有PF II类神经元的放电模式发生了改变。在大鼠清醒静止状态,两种神经元亚型的放电率无明显变化,但是PF I类神经元的放电模式发生了变化。在大鼠清醒静止或跑步机运动状态下,多巴胺能神经损伤都会导致PF内Beta和低Gamma频段的LFP的相对能量异常增加,而只有在清醒静止状态下,Delta频段的相对能量才会降低。PD之后PF核团内神经元Spike与LFP之间的相关性在大鼠不同行为状态下不同的神经元类型出现了不同的变化。在大鼠清醒静止状态下,PF I类神经元的Spike-LFP相关性在12-35 Hz和35-70 Hz两个频段PD大鼠较正常大鼠显著升高,而PF II类神经元无明显变化;在大鼠跑步机运动状态下,PF II类神经元的Spike-LFP相关性出现了异常升高,表现在1-12 Hz的低频段和12-35 Hz的病理频段。PD之后,大鼠在清醒静止或者跑步机运动状态下纹状体内的MSN放电率均显著升高,放电模式变得相对不规则,而DA的大量减少对FSI和CIN的影响较小。在大鼠清醒静止或跑步机运动状态下,多巴胺能神经损伤都会导致纹状体Beta频段的相对能量异常增加,Delta频段的相对能量降低。PD之后PF和纹状体之间的LFP振荡活动的同步性增强。在大鼠清醒静止状态下,PF和纹状体两个核团的Theta和Beta频段的平均线性相关性值显著增强,但是相位相关性仅在Beta频段有所增加。PD之后还伴随着PF锋电位发放与纹状体Beta频段振荡之间的同步性显著增加(Spike-LFP相关性增强)。在大鼠进行跑步机运动时,平均线性相关性值和相位相关性值在Alpha和Beta频段都显著增强。在大鼠清醒静止状态下,PD大鼠PF I类神经元的锋电位与纹状体的Beta振荡同步性增强;然而在跑步机运动状态下,PF II类神经元与丘脑纹状体通路中异常神经活动有关,且与纹状体的同步活动异常增强有关特别是Beta频段。PD模型大鼠PF内神经元尼氏染色结果表明,6-OHDA损伤造模侧较正常侧神经元数量显著减少而形态也出现了异常的变化。PF内两大类神经元经免疫荧光组织化学双标实验确定为谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸能神经元。PD之后谷氨酸能神经元数量显著减少,而γ-氨基丁酸能神经元数量未见明显改变。本研究最显著的发现是,PF和纹状体的神经电生理活动变化与大鼠的行为状态显著相关。PF和纹状体内神经元亚型在PD之后的不同变化可能是静止和运动行为状态下出现不同病理症状的原因。该研究结论提示对PD的研究要在病人和动物不同运动和认知行为状态下进行。研究不同行为状态下丘脑纹状体通路的异常变化将更好地了解PD运动症状的机制及发现更有效的疾病治疗方法。
【学位单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R742.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略词表
文献综述
实验研究
    第一章 帕金森病大鼠丘脑纹状体通路的电生理变化
        一、引言
        二、实验材料与实验方法
            1.实验材料
            2.实验方法
        三、实验结果及讨论
            1.6-OHDA对黑质多巴胺能神经元的影响
            2.电极植入位点鉴定结果
            3.单侧6-OHDA造模对大鼠束旁核神经元电生理活动的影响
            4.单侧6-OHDA造模对大鼠纹状体内神经元电生理活动的影响
            5.单侧6-OHDA造模对大鼠束旁核与纹状体电活动相关性的影响
        四、结论及创新点
    第二章 帕金森病大鼠束旁核内神经元多样性的免疫组化研究
        一、引言
        二、实验材料与方法
            1.实验材料
            2.实验方法
        三、实验结果及讨论
            1.PF核团形态学特点
            2.尼氏染色结果
            3.免疫荧光组织化学结果
            4.小结与讨论
        四、结论及创新点
参考文献
致谢
攻读博士学位期间科研成果

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本文编号：2869817