Nat Commun：瘫痪的腿还能恢复活动吗？Jennifer N.Dulin团队揭示功能性突触连接机制

2025年11月24日，美国德克萨斯农工大学Jennifer N. Dulin在Nature communications发表：Functional synaptic connectivity of engrafted spinal cord neurons with hindlimb motor circuitry in the injured spinal cord，揭示了移植脊髓神经元与损伤脊髓中后肢运动环路的功能性突触连接。

脊髓损伤（SCI）会导致严重的神经功能缺损，目前尚缺乏治愈性疗法。神经前体细胞（NPC）移植展现出良好前景，因为移植来源的神经元（GDNs）能够整合到宿主脊髓中并支持轴突再生。本研究在小鼠胸段挫伤型脊髓损伤模型中，评估了GDNs与后肢运动环路的突触整合情况。跨突触示踪结果显示，GDNs能够与宿主运动环路形成突触连接。轴突投射图谱进一步揭示，胆碱能神经元和V2a中间神经元在宿主脊髓内具有不同的终末分布模式。化学遗传学激活GDNs可在部分移植动物中诱发肌肉活动，但仅进行NPC移植本身并未改善运动功能恢复。这些发现表明，GDNs能够整合入宿主环路并调节其活动，然而有限的突触连接限制了功能恢复的效果。

图一 仅有少量移植来源的神经元与腰段脊髓运动神经元形成单突触连接

多项研究表明，移植NPC可改善脊髓损伤后的运动功能，普遍认为其分化出的GDNs通过在移植物与宿主间建立中继通路起作用。但GDNs能否自发连接控制后肢运动的宿主环路，尚不清楚。为此，作者在T12脊髓挫伤8周后的ChAT-Cre小鼠中，移植E12.5来源的NPC并结合单突触狂犬病毒（RABV）和多突触伪狂犬病毒（PRV）两种病毒示踪策略。

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结果：

22只小鼠中仅13只在移植物内检测到RABV+神经元，包括兴奋性、胆碱能和GABA能亚型，比例相近。以宿主运动神经元为起点，计算出平均每个宿主神经元仅连接约1.6个GDNs，表明自发突触形成极为有限。虽然移植物大小不影响连接数量，但RABV+神经元密度与其向尾侧延伸1.5 mm的轴突数显著正相关。说明连接依赖轴突延伸，而NPC移植物自身延伸能力较弱（仅数百条轴突/移植物）。值得注意的是，在移植后8周的旷场测试中，NPC移植组与未移植组运动功能无显著差异，提示在此模型中，单纯NPC移植未能有效促进功能恢复。尽管NPC可分化并形成少量突触，但其自发整合入宿主运动环路的能力有限，可能不足以驱动行为改善。

图二 移植神经元的亚型特异性脊髓投射图谱

研究通过使用特定基因型的供体细胞（Syn1-cre、ChAT-cre、Chx10-cre）构建脊髓NPC移植物并利用AAV-SynTag病毒载体在移植后四周标记神经元，以可视化轴突及其突触前终末。

结果：

Syn1-cre移植物的轴突数量显著多于其他类型，在尾侧2.5 mm范围内最为明显。大多数突触位于腰段脊髓的V层和VII-VIII层。Syn1-cre产生的突触点最多；胆碱能GDNs（ChAT-cre）突触富集于V层；V2a GDNs（Chx10-cre）突触富集于VII-VIII层。这表明不同亚型的GDNs根据其特性选择性地与宿主脊髓的不同区域建立连接。

图三 移植神经元可被化学遗传学激活并实现功能整合

作者发现胆碱能和V2a型GDN可与宿主后肢运动环路形成突触。为验证其在T12挫伤模型中的功能性整合，将表达hM3Dq（Gq-DREADD）的Syn1-cre脊髓NPC移植至野生型小鼠损伤部位。

结果：

移植4周后，腹腔注射CNO可显著激活移植物中GDN（c-Fos表达升高）；电生理记录也显示，CNO处理后hM3Dq移植物神经元放电频率迅速增加，而GFP对照组无变化。结果表明，移植的GDN可通过化学遗传学手段被有效调控，具备功能性整合的潜力。

图四 激活移植来源的神经元足以引发后肢肌肉活动

作者评估激活GDNs能否驱动后肢肌肉活动。在T12挫伤小鼠中移植三类表达hM3Dq的NPC：全GDN（Syn1-cre）、胆碱能（ChAT-cre）或V2a型（Chx10-cre）。

结果：

移植9周后腹腔注射CNO，传统运动评分无变化，但更敏感的运动序列分析（MoSeq）显示：Syn1-cre组在理毛、行走、直立等行为上显著改变；三组均出现从静止转向直立概率上升、理毛概率下降的共同模式，提示移植物影响行为动态。第10周肌电图记录显示：CNO处理后，三组部分动物后肢肌肉放电显著增强（>30次/分钟，远超未移植对照），个别高达数百次/分钟；但也有动物无反应，表明连接强度存在个体差异。总之，激活GDNs可功能性驱动宿主腰段运动环路引发后肢肌肉活动，但依赖于移植物与宿主的有效整合。

综上所述，该研究证实移植的脊髓神经元可在损伤脊髓中与宿主后肢运动环路形成功能性突触连接并在激活后驱动肌肉活动，为细胞移植修复脊髓损伤提供了关键机制依据和潜在治疗方向。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65395-7

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