上海体育大学刘宇、王晓慧团队报道TI刺激促进小鼠运动技能提升及其机制

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作者:RWD
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脑刺激作为神经调控的重要研究工具,对认识大脑、改善大脑、保护大脑和模拟大脑具有重要意义,在治疗人脑疾病和增强脑功能方面有着重要的潜力和应用前景。通过神经电刺激改善和提高人体运动能力的方法受到运动科学领域的广泛关注。传统的经颅电刺激可改变大脑神经元兴奋性,增强机体的运动能力。但传统的经颅电刺激属于泛刺激,无法精准调控负责执行运动控制与调节的大脑特定区域以及深部核团。2017年,以麻省理工学院Boyden为通讯作者的研究团队在Cell 杂志上提出时域干涉(Temporal interference, TI)脑刺激技术作为一种新型的非侵入性深部脑刺激技术可实现对脑区的靶向精准调控。TI技术是通过两组高频且差异较小的正弦交流电场相互作用,由于两个正弦交流电场存在一定的频率差,会产生一个叠加电场,形成低频的包络波,频率较低的包络波足以驱动神经活动,且神经元可以在选定的焦点处被激活,而不会驱动邻近或覆盖的区域,这样就可以实现特定位置的刺激,而不影响其他无关脑区,为大脑的精准调控提供可能。初级运动皮层(M1)是参与人体运动计划、执行和控制以及人类和动物运动技能巩固的关键脑区,传统的经颅交流电流刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)可提高运动技能,但TI刺激是否对小鼠运动技能有影响,与tACS相比是否有优势,以及TI刺激提升小鼠运动技能的作用机制,目前均不清楚。

近期,上海体育大学刘宇、王晓慧团队在Brain Stimulation杂志上发表题为Temporally interfering electric fields brain stimulation in primary motor cortex of mice promotes motor skill through enhancing neuroplasticity的文章。该研究证实TI可以实现对小鼠M1区的无创刺激,且包络波频率为20 Hz的TI刺激每天1次,持续20 min,连续7天可显著提高小鼠的运动技能,且TI刺激与传统的tACS相比,能更好地提升小鼠运动技能。进一步研究发现,其作用机制与其调节神经递质代谢,增加突触相关蛋白表达,促进神经递质释放,增加树突棘密度,增强突触囊泡数量和突触后致密物质厚度,最终增强神经元的兴奋性和可塑性有关。这是关于TI刺激促进小鼠运动技能及其机制的首次报道。

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为评估小鼠的运动技能,作者采用经典单颗粒抓取训练和测试。使用成功率来评估单颗粒抓取任务的完成情况:成功抓取的次数(抓住食物并将其送到嘴里)与总次数的比率,以百分比表示。当小鼠抓取食物的成功率达到40%时,即认为小鼠已经掌握了任务。结果显示,连续7天每次20 min给与小鼠左侧M1区TI刺激,能显著提升小鼠完成单粒抓取任务的成功率、成功速度和首选前肢百分比。而作为阳性对照的tACS,给与小鼠M1区20 min的tACS,也能显著增加小鼠完成单粒抓取任务的成功率,但成功率的增加程度不及TI;此外,tACS对单粒抓取任务的其他指标无显著影响,提示TI比阳性对照的tACS更能提升小鼠的运动技能。

为了确认刺激调节作用与神经递质代谢的关系,作者采用代谢组学技术检测小鼠M1区神经递质含量的变化,通过各类统计分析及可视化方法探讨TI和tACS刺激对神经递质代谢的影响(图1,原文表1)。结果发现TI-20 min组与TI-Sham相比,DA、Glu等11种神经递质含量显著更高,而tACS-20 min组与tACS-Sham相比,DA、Glu等8种神经递质含量更高;且提升幅度TI大于tACS,提示TI和tACS刺激均能提高小鼠运动技能的作用与其显著提升M1区Glu、DA等神经递质含量有关。

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通过KEGG代谢途径图探究TI和tACS刺激对不同代谢物代谢途径的影响,发现TI和tACS刺激可提高DA神经递质含量,调节PKA信号通路,促进CREB和BDNF蛋白表达。TI和tACS刺激可提高Glu等神经递质含量,调节NMDAR和AMPAR位点,促进CREB、BDNF等突触可塑性相关蛋白的表达(图2)。此外,TI和tACS刺激可增加5- HT、其前体和代谢产物等神经递质含量,还可提高Spd、Spm、His、Hist等神经递质水平,促进钙释放,从而提高神经元兴奋性。

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结合代谢组学测试结果选取Glu及DA重要的兴奋性神经递质探针,利用在体多通道光纤记录系统(采用瑞沃德公司生产的光纤记录系统)检测了M1区钙离子、谷氨酸和多巴胺神经递质的释放证实了TI、tACS刺激对神经元兴奋性(钙离子释放)和神经元兴奋性神经递质DA、Glu释放的影响,且改变幅度在TI刺激明细高于tACS刺激(图3),表明TI刺激M1区提升小鼠运动技能的作用与其增加神经元兴奋性神经递质释放、增强神经元兴奋性有关。

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为了研究TI和tACS刺激对突触可塑性的影响,作者采用Western blot方法检测了突触可塑性相关的多个蛋白如PSD-95、SYN、NMDAR、AMPAR和BDNF等的表达水平,发现TI刺激和tACS刺激都能增加小鼠M1区的PSD-95、BDNF和CREB蛋白水平、且TI刺激增加幅度更大(图4)。此外,激光共聚焦成像结果表明,连续7天的TI和tACS刺激显著增加了M1区突触囊泡数量和PSD厚度(图5)。以上结果提示TI和tACS刺激M1区提升小鼠运动技能的作用可能通过增加突触可塑性相关蛋白水平、提高突触可塑性实现。

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综上,TI刺激能提高小鼠运动技能,且TI刺激提升运动技能的作用比阳性对照tACS刺激更优。TI刺激的该作用与其增强神经元兴奋性和突触可塑性,以及改善突触微结构有关。

研究方法亮点

这项工作首次证实了连续7天的TI刺激(每天一次、每次10 min、∆f=20Hz)M1区可有效增强小鼠力量、平衡、耐力、协调等运动能力,并发现其作用机制与其增强神经元兴奋性和突触可塑性,以及改善突触微结构有关。研究用到时域干涉刺激、经颅交流电刺激、多通道光纤记录系统、代谢组学、蛋白印迹、激光共聚焦、液相色谱-质谱联用以及动物行为学评估等实验技术。其中,多通道光纤记录系统购自瑞沃德生命科技股份有限公司。瑞沃德深耕生命科学研究领域22年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中,研究人员采用了瑞沃德生产的光纤记录系统,为实验的顺利开展提供了支持。此外,瑞沃德还可提供该研究所涉及神经环路研究的完整解决方案。截止目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章14500+,获得行业广泛认可。

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