多巴胺信号系统对小鼠运动皮层突触可塑性的调控

摘要

多巴胺（dopamine, DA）神经递质系统在学习记忆过程中发挥重要作用。中脑黑质致密部（substantia nigra compacta, SNc）多巴胺能神经元大量死亡会导致帕金森病（Parkinson’s disease, PD），临床症状主要是运动迟缓、僵直、震颤麻痹等，后期会表现出运动技能学习受损，但是其机制尚不清楚。初级运动皮层（primary motor cortex, M1）是实现运动控制和运动技能获得的高级中枢，其神经环路重构，包括突触可塑性变化和长时程增强（long-time potention, LTP）的诱导形成，被证明是运动技能学习的结构与功能基础。我们推测 DA和 DA受体通路在调控运动皮层的突触可塑性中发挥重要作用，DA和DA受体信号异常可能会导致运动皮层异常的突触变化，进而损伤学习记忆。
　　为研究DA系统对M1突触可塑性的影响，我们采用1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP）腹腔注射的方法建立PD小鼠模型，耗竭大脑中DA，结合经磨薄颅骨的双光子活体成像，追踪观察小鼠M1突触可塑性变化，发现第5层锥体神经元树突棘消亡率和新生率都显著增加。MPTP持续注射4天或8天，M1第5层锥体神经元树突棘密度逐渐下降。说明DA耗竭确实会造成M1树突棘异常可塑性，且这种影响是长期性的。
　　中脑多巴胺能神经元对皮层的影响有直接和间接之分，直接路径是这些神经元轴突直接投射到皮层释放DA，间接路径则是先投射调控基底神经节，再由基底神经节间接调控皮层。究竟是间接路径还是直接路径调控了 M1突触可塑性？为回答此问题，我们在小鼠脑内定点微量注射6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine,6-OHDA）损毁DA特定局部通路研究M1树突棘可塑性是受黑质-纹状体多巴胺能通路间接调控还是受腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA）的直接多巴胺能投射调控。M1中局部注射6-OHDA损毁直接多巴胺能投射，发现M1第5层锥体神经元树突棘消亡率和新生率都增加，但是背外侧纹状体中注射6-OHDA，损毁黑质纹状体多巴胺能投射后，M1第5层锥体神经元树突棘消亡率和新生率与对照组无差。说明多巴胺能系统对M1树突棘可塑性的调控主要是通过VTA边缘通路直接投射的作用实现的。
　　M1中主要含有两类DA受体，分别以介导相反胞内信号的D1、D2受体为代表。这两类受体在 M1突触可塑性调控中各起到什么作用？我们分别应用这两种受体特异性拮抗剂，抑制它们的作用，观察树突棘动态变化。发现应用 D1受体拮抗剂SCH23390促进 M1第5层锥体神经元树突棘消亡率增加，而 D2受体拮抗剂Haloperidol或Rclopride则促进M1第5层锥体神经元树突棘新生率增加。可见，D1、D2受体均参与M1可塑性调控，但作用相反。随后，通过先给予D1、D2受体拮抗剂4天，再恢复4天的策略，我们发现D1、D2受体对M1突触可塑性的影响与给药持续时间有关。
　　最后，我们分析了D1、D2受体对M1第5层锥体神经元树突棘可塑性调控的动态变化规律，并探讨了其与突触功能可塑性之间的关系。我们推测D1受体拮抗剂可能是通过抑制LTP降低了突触稳定性，导致树突棘消亡率增加；D2受体拮抗剂促进树突棘新生的作用并不是通过调控LTP进行的。
　　综上，本文主要利用经开颅窗、薄颅窗的双光子活体成像方法，分别研究了DA及DA受体对M1第5层锥体神经元树突棘可塑性的影响，并对树突棘结构可塑性与功能可塑性之间的关系进行了阐述。

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1 绪论

1.1 中枢神经DA系统简介

1.2 DA耗竭对M1功能的影响

1.3 DA系统对M1突触可塑性影响的研究思路

1.4 DA系统对M1突触可塑性影响活体研究的技术路线与方法

1.5 本文主要内容

2 材料方法

2.1 实验试剂与设备

2.2 实验技术

2.3 数据分析

3 DA耗竭对M1树突棘可塑性的影响

3.1 引言

3.2 DA耗竭小鼠模型的建立

3.3 DA耗竭对M1树突棘动态变化的影响

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 DA通路对M1树突棘可塑性的调控

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 特异性损毁DA通路

4.4 特异性损毁DA通路对M1树突棘变化的影响

4.5 讨论

4.6 本章小结

5 D1、D2受体对M1树突棘可塑性的调控

5.1 前言

5.2 D1、D2受体对M1树突棘动态变化的影响

5.3 D1、D2受体对M1可塑性的持续性调控

5.4 讨论

5.5 本章小结

6 DA信号对M1神经环路可塑性调控的机理探究

6.1 前言

6.2 DA信号对M1神经环路可塑性调控规律

6.3 DA受体通路对LTP和树突棘动态变化影响的相关性研究

6.4 讨论

6.5 本章小结

7 总结展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 附录攻读博士学位期间发表论文目录