帕金森病（PD）是一种神经退行性运动障碍，其特征是黑质致密部（substantianigraparscompacta,SNc）的多巴胺（dopamine,DA）神经元逐渐丧失，导致背侧纹状体（dorsalstriatum,DSt）中的多巴胺水平下降。这种多巴胺的缺失通过改变纹状体回路引起运动障碍，最终导致直接和间接通路的输出失衡，这些通路分别由表达D1受体（dMSNs）或D2受体（iMSNs）的中型棘状神经元组成。多巴胺的耗竭还被认为会增加主要来自局部胆碱能中间神经元（cholinergicinterneurons,ChIs）的纹状体乙酰胆碱（acetylcholine,ACh）。根据DA-ACh平衡假说，多巴胺的丧失和乙酰胆碱的增加是导致帕金森运动功能障碍的主要病理因素。然而，尽管乙酰胆碱在纹状体中很重要，但多巴胺耗竭如何具体改变胆碱能传递和受体激活仍不清楚，因为在不同的PD模型中，关于ChI兴奋性和ACh水平变化的结果存在矛盾。
科罗拉多大学的BeatrizE.Nielsen和ChristopherP.Ford*在研究多巴胺耗竭的小鼠时发现，直接通路中M4介导的胆碱能信号传导并没有增加，反而由于dMSNs中突触后M4受体功能的减弱而减少。这种细胞亚型和突触特异性的适应对神经回路有广泛影响，并且动态依赖于多巴胺水平。恢复异常的M4信号意外地缓解了帕金森运动缺陷和L-DOPA诱导的运动障碍行为。他们的研究结果揭示，减少的直接通路M4传递可能在帕金森病的病理生理和L-DOPA诱导的运动障碍进展中起到潜在且以前未被注意到的作用。该研究成果以ReducedstriatalM4-cholinergicsignalingfollowingdopaminelosscontributestoparkinsonianandL-DOPA–induceddyskineticbehaviors为题发表在ScienceAdvances上。
图源ScienceAdvances
首先，研究人员为了探究多巴胺（DA）耗竭对直接通路中M4介导的胆碱能信号传导的影响，向小鼠的内侧前脑束（medialforebrainbundle,MFB）单侧注射高剂量（4μg）的6-羟基多巴胺（6-OHDA），以诱导纹状体DA输入的几乎完全退化，而对照组动物则注射生理盐水。在6-OHDA注射后3-4周，背侧纹状体（DSt）和黑质致密部（SNc）中的酪氨酸羟化酶（tyrosinehydroxylase,TH）免疫反应性减少。正如预期的那样，DA系统的损伤导致了运动障碍，研究人员通过圆柱测试和旋转杆测试进一步评估。尽管DA的丧失被预测会驱动纹状体乙酰胆碱（ACh）水平的增加，但这种变化如何转化为改变的胆碱能传递仍不清楚。因此，研究人员还检查了DA损伤动物中dMSNs在M4受体突触上的ACh传递变化。结果表明，6-OHDA处理的小鼠中M4-IPSCs的幅度显著减少，即通过M4受体传递到dMSNs的胆碱能传递在多巴胺能输入退化后减少。进一步的实验还验证了乙酰胆碱酯酶（AChE）介导的ACh清除功能没有变化，说明胆碱酯酶介导的ACh清除没有功能性改变。
图1DA耗竭减少M4介导的胆碱能突触传递
为了探究DA耗竭对直接通路中M4介导的胆碱能信号传导的影响，研究人员向小鼠的MFB单侧注射6-羟基多巴胺（6-OHDA），以诱导纹状体DA输入的退化。结果显示，6-OHDA处理的小鼠中M4-IPSCs的幅度显著减少，表明M4受体信号传导的减少是由于突触后M4受体功能的减弱，而非GIRK2表达的差异，部分原因是M4受体表达的减少。研究还在MitoPark小鼠模型中验证了这一发现，该模型通过选择性敲除线粒体转录因子A（Tfam）基因导致DA神经元的线粒体功能障碍和逐渐退化。结果表明，MitoPark小鼠中M4-IPSCs的幅度和Oxo-M（oxotremorine-M）诱导的最大外向电流均减少。此外，通过测量M4受体介导的电压门控钙通道（voltage-gatedcalciumchannels,VGCCs）抑制，研究人员发现DA耗竭后dMSNs中M4受体信号传导减少。这些结果表明，DA耗竭导致的直接通路M4信号传导减弱，可能在帕金森病的病理生理中起重要作用。
图2DA耗竭降低dMSNs突触后M4受体功能
图3M4受体在dMSNs中的过度表达可恢复帕金森小鼠胆碱能传递并改善运动缺陷
图4在dMSNs中选择性消融RGS4可以恢复M4传递，并缓解帕金森小鼠的运动障碍
为了探究DA耗竭后M4胆碱能传导减少对L-DOPA诱导的运动障碍行为的影响，研究人员在6-OHDA处理的小鼠中选择性去除dMSNs中的RGS4蛋白，并进行每日L-DOPA注射。结果显示，尽管L-DOPA治疗恢复了运动功能，但未能逆转M4功能的减少。通过分析运动活动和旋转频率，发现RGS4缺失小鼠在L-DOPA治疗后运动功能得到改善，同时不影响其治疗效果。此外，RGS4缺失小鼠的异常不自主运动评分显著降低，表明恢复M4功能可以减轻L-DOPA诱导的运动障碍行为。这些结果表明，DA耗竭后直接通路中M4介导的胆碱能传导减少加速并加重了L-DOPA诱导的运动障碍，而恢复M4功能则改善了运动障碍行为，同时不影响L-DOPA的抗帕金森效果。
图5M4传递的恢复减轻了L-DOPA引起的运动障碍行为
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