髓质胆碱能-血清素通路协同调控神经元兴奋性和运动活动的机制解析

《Communications Biology》：Synergistic mechanisms of medullary cholinergic-serotonergic pathway interactions in regulating neuronal excitability and locomotor activities

　　本研究揭示了脑干髓质区5-羟色胺(5-HT)神经元通过不同毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChR)亚型介导的协同拮抗机制：M3受体激活增强神经元兴奋性，而M2/M4受体激活产生抑制作用。这种双向调控机制共同协调运动节律生成，为理解胆碱能-血清素系统在运动控制中的协同作用提供了新视角。

　　

行走、奔跑等协调运动是动物生存的基本能力，这些复杂运动行为的产生依赖于神经系统各级中枢的精密调控。其中，脑干区域的神经环路在运动启动和节律控制中发挥着枢纽作用。长期以来，科学家们发现脑干中的血清素(5-HT)能神经元在运动控制中扮演关键角色，但这些神经元如何被上游信号调控，特别是胆碱能信号如何影响其功能，仍是未解之谜。

近日，发表在《Communications Biology》上的研究论文《髓质胆碱能-血清素通路相互作用调控神经元兴奋性和运动活动的协同机制》对这一科学问题进行了深入探索。该研究由程毅、戴月、葛仁凯和张强团队合作完成，通过多学科方法系统解析了髓质区5-HT神经元受到胆碱能调控的细胞机制，并首次揭示了不同毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChR)亚型在运动控制中的特异性作用。

为了开展这项研究，研究人员采用了多项关键技术方法：使用ePet-EYFP和ChAT-IRES-EYFP转基因小鼠模型进行细胞定位；通过全细胞膜片钳技术记录神经元电生理特性；采用免疫荧光染色确定受体分布；利用逆行追踪技术验证神经通路连接；通过离体全脊髓腹根记录分析假想运动；并建立计算模型模拟神经环路功能。

髓质血清素能神经元的表征

研究人员首先对ePet-EYFP转基因小鼠脑干中的5-HT神经元进行了系统表征。结果显示，髓质区5-HT神经元主要分布在旁锥体区域(PPR)和中线中缝核(MRN)两个区域。这两类神经元在形态学和电生理特性上存在显著差异：PPR神经元具有更丰富的树突分支、更大的胞体面积和体积，且其静息膜电位(RMP)更为去极化，输入电阻(Rin)更低。根据形态特征，这些神经元可分为锥体形、星形和双极形三种类型，其中星形神经元主要分布在PPR区域(68.8%)，而双极神经元主要分布在MRN区域(75%)。

乙酰胆碱对5-HT神经元的差异调控

研究团队发现乙酰胆碱(ACh)对髓质5-HT神经元产生三种不同的调控效应：兴奋性增强(55.9%)、兴奋性降低(11.8%)和无显著影响(32.3%)。这种调控作用具有明显的区域特异性：PPR区域的5-HT神经元主要表现出ACh诱导的兴奋性增强(75.5%)，而MRN区域的神经元则多数对ACh无反应(71.4%)。通过应用非选择性mAChR拮抗剂阿托平，研究人员证实这些效应均由毒蕈碱型受体介导。

毒蕈碱模拟ACh的调控作用

应用毒蕈碱受体激动剂muscarine能够重现ACh的三种调控效应，进一步证实了毒蕈碱受体在其中的关键作用。与ACh结果一致，muscarine诱导的兴奋性增强主要发生在PPR区域(72.5%)，而MRN区域的神经元多数对muscarine无反应(69.4%)。

M3受体介导神经元兴奋性增强

通过特异性受体拮抗剂实验，研究团队明确了不同mAChR亚型的功能分工：M3受体介导muscarine诱导的兴奋性增强，而M1和M5受体不参与此过程。应用M3受体拮抗剂4-DAMP能够完全阻断muscarine引起的膜电位去极化、阈值电流降低等兴奋性增强效应。

M2和M4受体共同介导兴奋性降低

研究发现M2和M4受体共同参与介导muscarine诱导的神经元兴奋性降低。在多数神经元中，单独阻断M2或M4受体即可完全逆转抑制效应，但在部分神经元中，需要同时阻断两种受体才能完全消除muscarine的抑制作用，表明这两种受体在某些情况下存在功能互补。

MLR胆碱能神经元向腹侧髓质的投射

通过逆行追踪实验，研究证实了中脑运动区(MLR)的胆碱能神经元(特别是脚桥被盖核PPN区域)向髓质区有直接投射，为MLR胆碱能信号调控髓质5-HT神经元提供了解剖学证据。

髓质毒蕈碱调控对假想运动的作用

在离体全脊髓制备中，研究人员发现不同mAChR亚型对运动节律产生差异化调控：阻断M3受体降低步频并扰乱运动节律；阻断M2/M4受体则增加步频而不改变运动模式；而M1/M5受体阻断对运动无显著影响。

计算模型验证实验发现

通过建立中枢模式发生器(CPG)计算模型，研究团队模拟了不同mAChR亚型激活对运动节律的调控作用。结果显示，增加兴奋性突触传导(模拟M3受体激活)可提高节律频率，而增加抑制性突触传导(模拟M2/M4受体激活)则降低节律频率，与实验结果高度一致。

这项研究首次系统阐明了髓质区胆碱能-血清素通路相互作用在运动控制中的分子和细胞机制，揭示了不同mAChR亚型(M2、M3、M4)在调控5-HT神经元兴奋性和运动输出中的特异性作用。研究发现不仅为理解脑干运动控制网络提供了新视角，也为运动障碍相关疾病的治疗靶点开发奠定了理论基础。这种受体亚型特异性的协同拮抗机制，体现了神经系统通过平衡兴奋与抑制信号来实现运动精密调控的巧妙策略。

研究的创新性在于揭示了髓质不同区域(PPR vs MRN)的5-HT神经元对胆碱能信号的反应差异，这可能是其在运动控制中扮演不同功能角色的基础。同时，研究通过结合电生理、药理学、形态学、逆行追踪和计算建模等多种技术，为胆碱能-血清素系统在运动控制中的协同作用提供了多层次证据。

尽管该研究存在一定局限性，如未完全排除胆碱能调控中间接通过其他神经递质系统的可能性，且计算模型对神经系统进行了必要简化，但其所揭示的mAChR亚型特异性调控机制为未来研究提供了明确方向。进一步研究可聚焦于不同髓质区域5-HT神经元在运动控制中的具体功能分工，以及胆碱能信号与其他神经递质系统(如谷氨酸能系统)的相互作用机制。