Nat Commun：中风患者的运动康复福音！加州大学团队揭示PV神经元重塑脑连接机制

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运动障碍是中风患者的关键损伤。康复训练对恢复的效果有限，但目前尚无针对中风后恢复的药物治疗，且康复在大脑中的生物学机制仍然未知。

基于此，2025年3月15日加州大学洛杉矶分校Thomas Carmichael研究团队在Nature communications杂志发表了“Parvalbumin interneurons regulate rehabilitation-induced functional recovery after stroke and identify a rehabilitation drug”揭示了PV中间神经元调控中风后康复诱导的功能恢复并确定一种康复药物。

本文中，作者利用雄性小鼠的光血栓中风模型，证明了中风后的康复训练选择性地增强了前肢运动区（rostral forelimb motor area）中突触前PV中间神经元和突触后神经元的突触形成。这些神经元通过轴突投射到引发中风的尾侧前肢运动区（caudal forelimb motor area，即中风投射神经元所在的区域）。康复训练改善了运动表现和神经功能连接，而抑制中风投射神经元则削弱了运动恢复。中风投射神经元表现出树突棘密度降低、外部突触输入减少以及GABA能输入中PV突触比例下降的现象。PV中间神经元调控神经功能连接，其在训练过程中的激活对于恢复至关重要。此外，gamma振荡（一种由PV调控的节律）在中风后接受康复训练的动物和中风患者中随着恢复而增强。通过药物增强PV中间神经元的功能可以改善中风后的运动恢复，模拟康复训练的效果。这些发现揭示了介导康复恢复的大脑回路，并为合理选择药物提供了可能性。

图一 康复训练可恢复中风后的运动功能表现

为了理解康复诱导功能恢复背后的神经回路，作者开发了一种小鼠康复范式，通过受影响的肢体进行重复性、技能性的前肢使用训练，模拟人类中风患者的康复训练。这种康复训练实现了高强度的抓取训练（每天超过800次抓取）。使用两种运动测试（熟练前肢抓取测试和网格行走测试）评估了该康复范式对初级运动皮层中风后功能恢复的影响。这些测试分别评估了抓取行为中的运动表现和天生的步态精确性。发现中风显著降低了熟练抓取的成功率，并削弱了步态功能。熟练抓取康复训练完全恢复了抓取任务中的运动表现，同时也改善了步态功能的恢复（网格行走测试），这表明高强度的康复治疗能够促进运动功能恢复到接近非中风水平。中风后的运动恢复与解剖学上连接到中风部位的脑区可塑性相关。为了确定对运动恢复最重要的脑区，作者通过在成功康复后对同侧前肢区域（RFA）和对侧CFA诱发第二次中风，测试了它们的功能重要性。同侧RFA的第二次中风消除了康复训练带来的两项任务的行为益处，而对侧CFA的中风并未引起显著变化。这些结果表明，RFA内的皮质内回路是康复诱导恢复的关键部位。

图二 康复训练可恢复中风后的功能连接

执行精确的运动任务需要运动皮层和前运动皮层中的神经元群体活动。中风不仅会导致梗死核心区的神经元死亡，还会引起皮层网络的解耦，表现为神经元放电活动的同步性降低。这种解耦（量化为功能连接的减少）与行为缺陷密切相关。作者使用配备旋转网格轮的双光子显微镜评估了RFA中具有皮层内连接的主神经元（第2/3层神经元）的神经元活动和功能连接。先前的研究表明，在旋转网格上的行走行为能够敏感地检测中风后的运动缺陷和网络解耦。康复训练诱导的中风恢复在熟练抓取和网格行走测试中均有体现。然而，这些研究中的康复活动主要是重复性熟练抓取。在钙成像研究中选择了网格行走范式而非抓取任务。中风减少了这些远离梗死区域的神经元的活跃神经元数量、钙瞬变频率、连接数量和连接密度。这种减少表明神经元活动和功能连接的恶化。虽然活跃神经元的数量随着时间的推移会自然增加，但钙瞬变频率和连接密度在中风后28天仍然处于抑制状态。康复训练显著增加了活跃神经元的数量和功能连接数。与假手术组动物相比，接受康复训练的动物在频率和连接密度上没有显著下降。作者计算了单个神经元的连接概率，即功能连接数与群体理论最大连接数的比值。发现与未治疗的中风动物相比，康复训练减少了RFA中表现出稀疏连接的神经元比例，并增加了具有较高连接概率的神经元比例。这些结果表明，康复训练增强了严重受损神经元的功能连接。

图三 PV中间神经元的激活对于恢复是必要的

鉴于康复过程中PV中间神经元到中风投射神经元的选择性突触形成，作者测试了中风后康复是否会激活这一神经回路。为此，通过检测即刻早期基因Zif268和FosB的表达以及周围神经网的变化，评估了中风后康复是否会在RFA中的PV/中风投射神经元回路中诱导活动依赖性基因表达和可塑性变化。作者观察到，康复显著增加了这两种神经元中Zif268的表达，并在中风投射神经元中增加了FosB的表达。康复还减少了被周围神经网包围的PV中间神经元的比例。这些数据表明，康复激活并增强了这些神经回路的可塑性。进一步测试了这些神经回路的激活是否是康复诱导功能恢复的必要条件。使用逆行AAV-Cre和PV-Cre小鼠品系，在中风投射神经元或PV中间神经元中分别注射hM4D(Gi)或mCherry对照病毒。在每次康复训练前15分钟注射DCZ，并贯穿整个恢复期。将康复装置的使用时间限制为2小时，以确保DCZ发挥最大效果。与先前的研究相比，这种较短的训练时间减少了总抓取次数（小米种子消耗量），但在改善中风后的运动表现方面仍然有效。虽然抑制中风投射神经元仅影响网格行走任务中的康复诱导运动恢复，但抑制PV中间神经元产生了明显且更广泛的影响，降低了熟练抓取和网格行走任务中康复的有效性。这表明，PV中间神经元的激活在康复诱导的抓取和精确步态功能恢复中起着关键作用。

图四 靶向PV中间神经元的药物治疗再现了康复效果

最后，作者评估了是否存在一种药理学方法可以通过激活PV中间神经元回路来模拟康复诱导的中风恢复。为此测试了两种化合物：AUT00201（一种主要存在于PV中间神经元上的Kv3.1离子通道的选择性正调节剂）和DDL-920（一种选择性负调节剂，作用于具有α1β2δ亚基的γ-氨基丁酸A型受体（GABAARδ），该受体负责对PV中间神经元的强直性抑制）。α1β2δ GABAAR仅由PV中间神经元表达，而与之相对的是齿状回颗粒细胞、丘脑皮层、皮层/海马锥体神经元以及中棘神经元中的α4β2/3δ GABAAR，以及小脑颗粒细胞中主要表达的α6β2/3δ GABAAR。Kv3.1的正向调节会导致快速放电的动力学增强，并增加快放电GABA能中间神经元的放电频率。另一方面，GABAARδ的负向调节会减少强直性抑制并增强PV中间神经元的兴奋性。这些活动的变化随后调节了gamma振荡。作者通过口服给药以增强配方在潜在临床转化中的适用性。确认了Kv3.1离子通道和GABAARδ在完整和中风动物的PV中间神经元中主要表达。通过单剂量给药测试了PV中间神经元的激活。基于这些药物对PV中间神经元的选择性作用，AUT00201和DDL-920均增加了PV中间神经元中即早基因Zif268的表达，但未改变表达Zif268的细胞密度。只有DDL-920显示出明显增加。在中风恢复研究中，作者在中风后第3天开始药物治疗，并通过熟练抓取（意大利面矩阵测试）和步态（网格行走测试）评估前肢运动功能的恢复情况，未观察到任何不良反应，例如体重减轻或运动缺陷，无论是在假手术组还是中风组中。接受安慰剂和AUT00201治疗的中风动物在精确抓取意大利面块时表现出持续的功能障碍。相比之下，DDL-920治疗使中风后的运动功能完全恢复。AUT00201和DDL-920治疗还在网格行走测试中促进了更快的恢复。这些数据确表明药物可以驱动康复诱导的中风恢复中有益细胞效应，并促进与康复诱导的中风恢复相当的行为恢复。

总结

通过恢复gamma振荡来建立神经元兴奋性增强的范围，可能有助于任务特定的运动训练，从而促进中风后的神经和行为恢复。作者的研究强调了复制康复机制生物学过程的药物疗法的潜力，以实现功能恢复。对康复生物学的更深入理解有望开发出一种更有效的医疗康复药物，为经历运动障碍的中风患者提供更好的治疗，尤其是那些无法参与高质量康复治疗的患者。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57860-0