玛蒂娜·蒙塔纳里（Martina Montanari）|弗朗切斯卡·巴尔萨莫（Francesca Balsamo）|朱莉娅·庞特里奥（Giulia Ponterio）|伊尔哈姆·埃尔·阿蒂亚拉（Ilham El Atiallah）|尤金妮娅·兰多尔福（Eugenia Landolfo）|埃里卡·贝雷塔（Erica Berretta）|克拉拉·丹布拉（Clara D’Ambra）|朱塞皮娜·马泰拉（Giuseppina Martella）|玛丽亚·梅林戈洛（Maria Meringolo）|安娜丽莎·塔索内（Annalisa Tassone）|劳拉·佩特罗西尼（Laura Petrosini）|法布里齐奥·皮拉斯（Fabrizio Piras）|弗朗切斯卡·格尔福（Francesca Gelfo）|保拉·邦西（Paola Bonsi）
意大利罗马圣卢西亚基金会（I.R.C.C.S. Fondazione Santa Lucia）神经生理学与可塑性实验室
摘要 帕金森病（PD）的发病机制是多因素的，涉及遗传和环境因素，这些因素共同导致线粒体和突触功能障碍、氧化应激以及神经炎症。尽管该疾病以运动症状（动作迟缓、僵硬和/或静止性震颤）为特征，但在大多数PD患者中，非运动症状（包括情绪和情感障碍、感觉和自主神经功能障碍、疼痛、睡眠-觉醒周期紊乱以及认知障碍）会在运动症状出现之前出现，并随着疾病进展而加重症状负担。最近的临床观察表明，非药物干预措施（如认知训练和物理训练）可能对PD的运动和非运动症状产生有益影响。本研究旨在探讨认知训练或多模式刺激对PD小鼠模型神经生物学和行为改变的影响。我们对2个月大的PINK1基因缺失（PINK1-/- ）小鼠进行了认知和多模式刺激。总体而言，我们的数据支持将年轻的PINK1-/- 小鼠作为临床前PD的宝贵实验模型，这些小鼠表现出与PD相关的行为异常，并为疾病的神经生物学机制提供了线索。此外，本研究表明，多模式环境丰富化（一种提供持续感觉、运动和认知刺激的非药物疗法）能够逆转PD小鼠模型的行为和神经生物学改变。这些数据为越来越多的临床证据提供了实验支持，证明认知和运动训练对PD患者有益，并确定了此类非药物方法的神经生物学靶点。
引言 帕金森病（PD）的病因是多因素的，涉及遗传倾向、衰老和环境因素之间的复杂相互作用（Oczkowska等，2013；Simon等，2020；Wassouf和Schulze-Hentrich，2019）。与PD相关的基因参与线粒体功能、氧化应激、轴突运输、钙稳态、α-突触核蛋白稳态和炎症过程（Poewe等，2017）。事实上，神经免疫改变在包括PD在内的多种神经系统疾病的发病机制中起着关键作用（Imbriani等，2026；Standaert等，2023；Tansey等，2022）。在PD患者的血液、脑脊液（CSF）和纹状体尸检样本中发现了炎症因子水平升高，包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL）-1β和IL-6（Joers等，2017；T.-W. Liu等，2022；Y. Liu等，2022；Zimmermann和Brockmann，2022）。使用特异性放射示踪剂的神经影像学研究也证实了PD中的神经炎症（Belloli等，2020）。越来越多的证据表明，炎症不仅仅是PD的继发性反应，而是在神经退行性变中起积极作用，甚至可能是神经元逐渐丧失的关键因素（T.-W. Liu等，2022；Tansey等，2022）。 尽管PD的临床诊断基于核心运动症状（动作迟缓、僵硬和静止性震颤），但许多非运动症状会在这些症状出现前几十年就已显现（Poewe等，2017）。随着疾病的发展，这些症状变得越来越普遍，最终认知衰退和神经精神障碍（如焦虑和抑郁）成为整体残疾和生活质量的主要决定因素（Alcalá-Zúniga等，2024；Brunelli等，2020；Di Tella等，2024；Hanagasi等，2017）。当前干预措施的不良反应和缺乏改变疾病进程的效果促使人们寻找替代方法。临床和临床前PD研究越来越多的证据表明，生活方式干预（包括认知训练和物理训练）可以改善认知和运动功能，从而可能延缓认知衰退（Alarcón等，2023；Alcalá-Zúniga等，2024；Costa等，2014；Di Tella等，2024；Faherty等，2005；Goldberg等，2011；Guzzetti等，2019；Hindle等，2017；Kempermann，2019；Nithianantharajah和Hannan，2009；Wassouf和Schulze-Hentrich，2019）。大量研究表明，体育活动具有抗炎和抗氧化作用，尽管其分子机制尚未完全阐明（Di Benedetto等，2017）。有趣的是，临床研究表明，体育和认知训练可能协同作用，从而提高认知表现，这表明这些非药物策略可能解决当前缺乏有效认知治疗的问题，并减轻复杂的PD药物治疗负担（Carbone等，2021；Dominguez等，2021；Hindle等，2017；Hindle等，2014；Lawrence等，2017；Orgeta等，2020；Rossi Dare等，2019；Walton等，2017）。在动物模型中，环境丰富化（EE）范式被用来研究生活方式对认知功能的影响（Kempermann，2019；Nithianantharajah和Hannan，2009；Nithianantharajah和Hannan，2006）。这种范式提供了增强的感觉、认知和运动刺激，以及改善的社会互动（Gelfo和Petrosini，2022；Nithianantharajah和Hannan，2006），有效地模拟了有助于认知储备发展的生活体验（Gelfo等，2018；2019）。临床前研究一致显示，环境丰富化能够改善与认知衰退相关的学习、记忆和执行功能（Gelfo，2019；Kempermann，2019；Landolfo等，2023；Leggio等，2005；Mandolesi等，2017；Nithianantharajah和Hannan，2009；Petrosini等，2009；Bondi等，2015；Pucci等，2024）。这些行为发现基于神经发生（Chakrabarti等，2011；Kempermann，2019；Sakalem等，2017；Segovia等，2006）、突触发生（Gelfo等，2016；Gelfo等，2009；Herring等，2009；Hirase和Shinohara，2014）、胶质发生（de Oliveira等，2020；Sampedro-Piquero等，2014）和血管发生（He等，2017）的促进，从而增加神经元存活和功能，提高脊髓密度和树突分支，以及改善突触可塑性（de Oliveira等，2020；Duffy等，2001；Faherty等，2005；Frick和Fernandez，2003；Gelfo，2019；Hirase和Shinohara，2014；Zarif等，2018）。因此，环境丰富化上调了神经营养因子（如BDNF）的表达（Birch等，2013；Costa等，2023；Cutuli等，2022；Estrázulas等，2022；Murack等，2023；Wang等，2019）。值得注意的是，环境丰富化范式被广泛用作减轻与年龄相关的脑变化、精神疾病、脑损伤和帕金森病等神经退行性疾病的非药物干预模型（Hannan，2014；Kimura等，2022；Nie等，2024；Nithianantharajah和Hannan，2006；Zhu和Grace，2021）。
多年来，已经开发出多种具有结构有效性的遗传啮齿动物模型来研究PD的病理生理学（Dovonou等，2023；He等，2024）。几种基因（如α-突触核蛋白（SNCA，PARK1，PARK4）、parkin（PRKN，PARK2）、与帕金森病相关的降解酶（DJ1，PARK7）、富含亮氨酸的重复激酶2（LRRK2，PARK8）、葡萄糖基神经酰胺酶β1（GBA1）和PTEN诱导的假定的激酶1（PINK1，PARK6）与PD相关（Morris等，2024；Poewe等，2017）。PINK1基因的功能丧失突变是常染色体隐性早发PARK-PINK1（PARK6）PD的第二大常见遗传原因（Scarffe等，2014；Valente等，2004；Wang等，2023）。在PINK1敲除（PINK1-/- ）小鼠模型中，快速扫描循环伏安法分析显示纹状体多巴胺水平随年龄增长而降低（Zhi等，2019）。此外，PINK1-/- 小鼠表现出运动和非运动障碍（发声和吞咽障碍、嗅觉功能障碍）的进展，类似于PD患者的早期症状（Creed等，2021；Gautier等，2008；Gispert等，2009；Kelm-Nelson等，2021；Krasko等，2021；Soto等，2024；Zhi等，2019），但没有神经退行性变（Gispert等，2009；Kitada等，2007）。
在这项研究中，我们全面探讨了年轻PINK1-/- 小鼠的：i）运动和非运动行为改变；ii）相关脑区的神经炎症和突触功能障碍；iii）多模式刺激（包括认知刺激）对行为缺陷、神经免疫和神经生理改变的影响。
总体而言，我们的数据支持将年轻的PINK1-/- 小鼠作为临床前PD的宝贵实验模型，这些小鼠在运动改变出现之前就表现出非运动障碍。值得注意的是，这些早期缺陷伴随着纹状体中神经炎症标志物的表达，而海马体中没有。环境丰富化改善了行为、神经免疫和神经生理障碍。这些数据为越来越多的临床证据提供了实验支持，证明针对PD患者生活方式的非药物方法具有益处。
实验模型 PTEN诱导的激酶1敲除（PINK1-/- ）小鼠购自杰克逊实验室（B6.129S4-Pink1tm1Shn/J；Kitada等，2007），并与C57Bl/6J小鼠杂交。在圣卢西亚基金会IRCCS伦理委员会的批准以及意大利卫生部的授权（编号187/2021-PR）下，使用年轻成年（出生后第60-80天，Pnd 60–80）的雄性PINK1-/- 小鼠及其野生型同窝小鼠进行实验，符合意大利D. Lgs 26/2014的规定
年轻PINK1-/- 小鼠纹状体中表达神经炎症标志物 为了研究PINK1-/- 小鼠中神经炎症标志物的表达，我们测量了敲除小鼠及其野生型同窝小鼠的纹状体、皮质和海马体中的促炎细胞因子IL-6和IL-1β以及小胶质细胞标志物IBA-1的水平。如图1A,B所示，与PINK1+/+ 同窝小鼠相比，突变小鼠的纹状体中IL-6（增加了215%）和IL-1β（增加了130%）。相反，在海马体中
讨论 PD的进展伴随着多种非运动症状，这些症状给疾病管理带来了困难。认知衰退和神经精神障碍（如焦虑和抑郁）在疾病进展过程中变得越来越普遍，成为整体残疾和生活质量下降的主要决定因素（Alcalá-Zúniga等，2024；Brunelli等，2020；Di Tella等，2024；Hanagasi等，2017）。在非药物方法中，认知训练和物理训练
未引用的参考文献 Jang等，2009b，无法获取。
作者贡献声明 玛蒂娜·蒙塔纳里（Martina Montanari）： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，项目管理，方法学，研究，数据管理。弗朗切斯卡·巴尔萨莫（Francesca Balsamo）： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，数据管理。朱莉娅·庞特里奥（Giulia Ponterio）： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，数据管理。伊尔哈姆·埃尔·阿蒂亚拉（Ilham El Atiallah）： 撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。尤金妮娅·兰多尔福（Eugenia Landolfo）： 撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。资助 本研究得到了意大利卫生部“Ricerca Finalizzata”项目[RF-2019–12370182]的支持。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢 作者感谢Annarita Wirz博士、Massimiliano Di Virgilio先生、Gianni Cantini先生和Alessio Fieramosca先生在动物护理方面的支持与协助，以及Massimo Tolu先生在技术方面的帮助。作者还感谢Antonino Iurato La Rocca博士对手稿修订的贡献。
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