帕金森病中钙信号如何影响大脑突触的改变

帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，其运动症状（如震颤、僵硬、运动迟缓）与中脑多巴胺能神经元丢失导致基底神经节多巴胺减少有关。多巴胺减少后，基底神经节会发生广泛的突触重组（突触强度和数量的变化）和神经活动异常，包括过度的β振荡（一种脑电活动）和爆发式放电，但这些病理活动与突触重组之间的联系尚不明确。

本研究通过构建计算模型，聚焦基底神经节中丘脑底核（STN）和外侧苍白球（GPe）组成的亚回路，探究钙依赖性突触可塑性（突触强度变化）和结构可塑性（突触连接数量变化）如何将病理活动与突触重组联系起来。模型整合了基于钙浓度的突触可塑性机制（钙浓度高低决定突触增强或减弱）和结构可塑性机制（通过调节突触连接数量维持钙稳态），模拟了健康状态、iMSN过度活跃状态以及伴有皮质和iMSN爆发活动的PD状态。

研究发现，间接通路纹状体投射神经元（iMSN）过度活跃可触发一系列基于钙稳态的突触变化，进而导致与PD动物模型一致的突触重组。具体表现为：皮质到STN的突触连接减少，GPe到STN以及GPe内部的突触连接增加。这种结构可塑性在多巴胺减少后的iMSN输入增加过程中起代偿作用，试图平衡异常活动。然而，当iMSN和皮质输入存在大量相关的低频爆发活动时，这种代偿机制会受损。

此外，突触可塑性和结构可塑性对β振荡的影响不同：突触可塑性会增强β振荡功率，而结构可塑性在低爆发水平时降低β功率，但在高爆发水平时影响微弱甚至略有增强。仅当iMSN过度活跃与皮质、iMSN爆发活动结合时，模型才能同时再现PD中的突触重组和过度β振荡。

该研究揭示了帕金森病中病理活动与突触重组之间的钙依赖性机制，为理解疾病进展和开发新疗法（如优化深部脑刺激参数以诱导有益的突触重组）提供了理论基础。