文獻解讀：研究發(fā)現下丘腦-腦橋-脊髓通路是脊髓損傷修復的關鍵
01 研究目的
2025年12月6日，李毅團隊在 Nature Communications 雜志上在線發(fā)表題為 “Activation of hypothalamic-pontine-spinal pathwaypromotes locomotor initiation and functional recoveryafter spinal cord injury in mice” 的文章。該研究致力于解析下丘腦外側區(qū)（LHA）整合內在動機、并向脊髓傳遞運動指令的核心機制。通過精準鑒定調控覓食等動機驅動型運動的專屬神經環(huán)路，研究明確了LHA不同神經元亞型及其下游通路的功能分工。在此基礎上，團隊進一步探索了LHA相關環(huán)路在脊髓損傷（SCI）后的運動修復作用，并研發(fā)了靶向LHA的深部腦刺激（DBS）新策略，旨在為SCI患者的運動功能重建開拓全新方向。
02 研究方法
1 神經示蹤技術
逆行跨突觸示蹤：向小鼠后肢脛骨前肌、腓腸肌注射表達 EGFP 的偽狂犬病毒，標記支配后肢肌肉的上游神經元，結合 ClearMap 技術完成全腦神經元分布分析。
順行與逆行示蹤聯用：通過注射特異性 AAV 病毒，追蹤下丘腦外側區(qū)與腦橋網狀核口部、內側隔核和斜角帶及脊髓間的神經連接通路。
單神經元投射組分析：對下丘腦外側區(qū)神經元開展稀疏標記與全腦成像，依據神經元投射模式進行層級聚類分類。（見圖1、2）
圖1：下丘腦中的LHA谷氨酸能神經元主要參與后肢運動控制，并對動機驅動的運動至關重要
2 光遺傳學與化學遺傳學技術
光遺傳學激活：在特定基因編輯小鼠的下丘腦外側區(qū)注射靶向 AAV 病毒，通過光纖激光刺激目標神經元或神經末梢，觀察小鼠運動行為的動態(tài)變化。
化學遺傳學抑制：向特定基因編輯小鼠的腦橋腳核注射靶向 AAV 病毒，通過注射 CNO 抑制核團內谷氨酸能神經元，驗證下丘腦外側區(qū) - 腦橋網狀核口部通路的功能獨立性。（見圖1、2）
圖2：LHA回路背后的神經回路單神經元投影組引導分析，用于運動控制
3 鈣成像與電生理記錄
光纖光度法：向下丘腦外側區(qū)注射鈣指示劑 AAV 病毒，記錄自由活動小鼠在覓食、休息、進食等不同行為狀態(tài)下，核團內神經元的鈣信號變化。
單細胞記錄：借助多電極陣列，在小鼠線性軌道行走過程中記錄下丘腦外側區(qū)神經元的放電活動，分析神經元放電與運動速度的關聯特征。
肌電圖記錄：在小鼠后肢肌肉植入電極，記錄下丘腦外側區(qū)受刺激后，后肢肌肉的收縮反應情況。
圖3：LHA-PnO回路的功能重組有助于自發(fā)運動恢復
4 動物模型與行為學測試
脊髓損傷模型：構建小鼠單側脊髓半橫斷的不完全性損傷模型，以及交替?zhèn)劝霗M斷的嚴重脊髓損傷模型。
行為學測試：開展曠場試驗、覓食試驗、地面行走試驗、高架十字迷宮試驗，分別評估小鼠基礎運動能力與焦慮樣行為、動機驅動型運動能力、后肢運動學特征及焦慮水平。（見圖1、3、4）
圖4：優(yōu)化后的LHA DBS急性化使慢性錯位性脊髓損傷后癱瘓小鼠能夠逐步進入
5 基因操作與深部腦刺激技術
神經元消融：通過注射靶向 AAV 病毒結合白喉毒素，實現對下丘腦外側區(qū)谷氨酸能神經元，以及向下腦橋網狀核口部投射的下丘腦外側區(qū)神經元的特異性消融。
意向門控深部腦刺激：結合腦機接口技術，通過解碼運動皮層神經元的活動信號觸發(fā)下丘腦外側區(qū)的深部腦刺激，實現對目標核團的精準化刺激調控。
03 研究內容
1 LHA 谷氨酸能神經元調控后肢運動
通過 PRV 示蹤發(fā)現，LHA 是下丘腦內支配后肢肌肉的神經元密度最高的區(qū)域，且這類神經元主要集中在尾側 LHA。光遺傳學技術激活 LHA 的 Vglut2⁺神經元，可誘導小鼠產生強烈的運動行為，且運動強度與光刺激的頻率、強度呈相關性；而激活 LHA 的 Vgat⁺神經元則無此運動誘導效應。單細胞記錄結果顯示，部分 LHA 神經元的放電率與小鼠運動速度呈正相關，這類神經元中多數為谷氨酸能神經元，且有部分神經元在運動起始前放電率已出現升高趨勢。（見圖1）
2 LHA 通過 PnO/MSDB 通路調控運動
經單神經元投射組分析，可將 LHA 神經元劃分為多類及不同亞型，其中尾側投射型神經元主要向 PnO 等腦橋區(qū)域投射，長距離投射型神經元中有部分可直接投射至脊髓。光刺激 LHA 直接投射至脊髓的神經元，無法誘導小鼠產生運動行為；而刺激 LHA 向 PnO 或 MSDB 的投射通路，均可啟動小鼠運動，且不同通路觸發(fā)的運動表現存在差異：MSDB 投射通路會觸發(fā)小鼠高速逃逸樣運動，PnO 投射通路則誘導小鼠產生溫和的運動行為。通過化學遺傳學抑制 PPN 谷氨酸能神經元后，LHA-PnO 通路仍可正常誘導運動，證實該通路具備功能獨立性。（見圖2）
3 LHA-PnO 通路特異性調控動機驅動型運動
覓食試驗中檢測發(fā)現，LHA Vglut2⁺神經元在小鼠運動起始時鈣信號顯著升高，進食過程中則呈降低趨勢；而 LHA 內抑制性神經元在小鼠進食時被激活。特異性消融向 PnO 投射的 LHA 神經元后，小鼠在曠場試驗中的基礎運動能力無明顯異常，但在覓食試驗中進入區(qū)域中心的次數和總移動距離均顯著減少，且該操作未對小鼠食欲產生影響。高架十字迷宮與曠場試驗結果顯示，刺激 LHA-PnO 通路不會引發(fā)小鼠的焦慮樣行為，而刺激 LHA-MSDB 通路則會導致小鼠出現焦慮相關的行為反應。
圖5：LHA-PnO脊髓通路對于將運動信號從下丘腦傳遞到脊髓至關重要
4 LHA-PnO - 脊髓通路介導 SCI 后運動恢復
脊髓損傷模型構建后，短期觀察發(fā)現 LHA 神經元的 PRV 標記量顯著減少；慢性期時，尾側 LHA 的標記神經元數量出現恢復，提示 LHA 與脊髓之間的神經連接可在脊髓損傷慢性期完成重建。特異性消融 LHA 谷氨酸能神經元，或向 PnO 投射的 LHA 神經元后，脊髓損傷小鼠的后肢伸展、回縮等運動相關參數均顯著受損，同時伴隨明顯的覓食行為障礙。光遺傳學激活 LHA Vglut2⁺神經元，可即時改善脊髓損傷小鼠的后肢運動功能，顯著提升其體重支撐能力與步幅長度。（見圖3）
5 優(yōu)化 DBS 策略促進嚴重 SCI 后的運動恢復
針對 LHA 不同亞區(qū)的定位刺激研究發(fā)現，刺激尾側 LHA 可優(yōu)先激活 PnO，刺激嘴側 LHA 則優(yōu)先激活 MSDB，據此選擇尾側 LHA 作為深部腦刺激的靶點，可有效避免刺激引發(fā)的焦慮樣副作用。對嚴重脊髓損傷小鼠實施尾側 LHA 的急性深部腦刺激，干預后中期小鼠后肢運動的相關運動學參數已顯著改善，且該改善效應可長期維持。采用結合腦機接口的意向門控長期深部腦刺激策略，通過解碼運動皮層神經元活動觸發(fā) LHA 深部腦刺激，對嚴重脊髓損傷小鼠進行長期規(guī)律性刺激后，其運動功能評分顯著提升，后肢自主運動能力得到有效恢復，且整個刺激過程未引發(fā)小鼠明顯的應激反應。（見圖4）
04 創(chuàng)新點
首次鑒定出下丘腦 - 腦橋 - 脊髓通路（LHA-PnO-SC），明確其為調控動機驅動型運動的核心環(huán)路，且獨立于經典的中腦運動區(qū)（MLR）通路。
發(fā)現 LHA 神經元功能分區(qū)：cLHA-PnO 通路介導無焦慮的動機性運動，rLHA-MSDB 通路調控逃逸樣焦慮相關運動，實現運動與情緒功能的分離。
開發(fā)意向門控 DBS 技術，結合 BCI 解碼運動皮層意向信號，精準觸發(fā) LHA 刺激，既避免了持續(xù) DBS 的副作用，又能長期促進嚴重 SCI 后的運動功能恢復，為臨床轉化提供新范式。
05 技術啟示
神經環(huán)路的特異性是精準治療的關鍵：LHA-PnO通路的發(fā)現表明，針對特定神經亞型和投射通路的精準調控，可在實現療效的同時最大限度減少副作用，為神經調控治療提供了新范式。
腦-脊髓環(huán)路重組是功能恢復的基礎：本研究證實，上位中樞（如下丘腦）的功能可塑性對SCI恢復至關重要。未來的康復策略需兼顧中樞環(huán)路激活與脊髓局部修復。
腦機接口與神經調控的結合潛力巨大：“意向門控”DBS將“患者主動意圖”與“精準刺激”相結合，顯著提升了治療的有效性與安全性，為神經損傷后的功能重建開辟了新方向。
從基礎到臨床的轉化路徑清晰：通過構建不同嚴重程度的SCI模型并系統優(yōu)化刺激參數，本研究為LHA-DBS從動物實驗邁向臨床應用奠定了堅實基礎，有望破解SCI運動功能恢復的臨床難題。
參考文獻：Ji C, Zhang Y, Lin Z, Zhao Z, Jiao Z, Zheng Z, Shi X, Wang X, Li Z, Yu S, Qu Y, Wei Y, Rui T, Zheng B, Xie T, Shi H, Wang Q, Yu X, Xu X, Chen J, Fan J, Cai W, Li Y. Activation of hypothalamic-pontine-spinal pathway promotes locomotor initiation and functional recovery after spinal cord injury in mice. Nat Commun. 2025 Dec 6;17(1):446. doi: 10.1038/s41467-025-67133-5IF: 15.7 Q1 . PMID: 41353490.
創(chuàng)作聲明：本文是在原英文文獻基礎上進行解讀，存在觀點偏向性，僅作分享，請參考原文深入學習。
圖文編輯 | 趙 玉
圖文審核 | 伍金嶸
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