Nat Commun：癱瘓的腿還能恢復活動嗎？Jennifer N.Dulin團隊揭示功能性突觸連接機制

2025年11月24日，美國德克薩斯農工大學Jennifer N. Dulin在Nature communications發表：Functional synaptic connectivity of engrafted spinal cord neurons with hindlimb motor circuitry in the injured spinal cord，揭示了移植脊髓神經元與損傷脊髓中后肢運動環路的功能性突觸連接。

脊髓損傷（SCI）會導致嚴重的神經功能缺損，目前尚缺乏治愈性療法。神經前體細胞（NPC）移植展現出良好前景，因為移植來源的神經元（GDNs）能夠整合到宿主脊髓中并支持軸突再生。本研究在小鼠胸段挫傷型脊髓損傷模型中，評估了GDNs與后肢運動環路的突觸整合情況。跨突觸示蹤結果顯示，GDNs能夠與宿主運動環路形成突觸連接。軸突投射圖譜進一步揭示，膽堿能神經元和V2a中間神經元在宿主脊髓內具有不同的終末分布模式。化學遺傳學激活GDNs可在部分移植動物中誘發肌肉活動，但僅進行NPC移植本身并未改善運動功能恢復。這些發現表明，GDNs能夠整合入宿主環路并調節其活動，然而有限的突觸連接限制了功能恢復的效果。

圖一 僅有少量移植來源的神經元與腰段脊髓運動神經元形成單突觸連接

多項研究表明，移植NPC可改善脊髓損傷后的運動功能，普遍認為其分化出的GDNs通過在移植物與宿主間建立中繼通路起作用。但GDNs能否自發連接控制后肢運動的宿主環路，尚不清楚。為此，作者在T12脊髓挫傷8周后的ChAT-Cre小鼠中，移植E12.5來源的NPC并結合單突觸狂犬病毒（RABV）和多突觸偽狂犬病毒（PRV）兩種病毒示蹤策略。

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結果：

22只小鼠中僅13只在移植物內檢測到RABV+神經元，包括興奮性、膽堿能和GABA能亞型，比例相近。以宿主運動神經元為起點，計算出平均每個宿主神經元僅連接約1.6個GDNs，表明自發突觸形成極為有限。雖然移植物大小不影響連接數量，但RABV+神經元密度與其向尾側延伸1.5 mm的軸突數顯著正相關。說明連接依賴軸突延伸，而NPC移植物自身延伸能力較弱（僅數百條軸突/移植物）。值得注意的是，在移植后8周的曠場測試中，NPC移植組與未移植組運動功能無顯著差異，提示在此模型中，單純NPC移植未能有效促進功能恢復。盡管NPC可分化并形成少量突觸，但其自發整合入宿主運動環路的能力有限，可能不足以驅動行為改善。

圖二 移植神經元的亞型特異性脊髓投射圖譜

研究通過使用特定基因型的供體細胞（Syn1-cre、ChAT-cre、Chx10-cre）構建脊髓NPC移植物并利用AAV-SynTag病毒載體在移植后四周標記神經元，以可視化軸突及其突觸前終末。

結果：

Syn1-cre移植物的軸突數量顯著多于其他類型，在尾側2.5 mm范圍內最為明顯。大多數突觸位于腰段脊髓的V層和VII-VIII層。Syn1-cre產生的突觸點最多；膽堿能GDNs（ChAT-cre）突觸富集于V層；V2a GDNs（Chx10-cre）突觸富集于VII-VIII層。這表明不同亞型的GDNs根據其特性選擇性地與宿主脊髓的不同區域建立連接。

圖三 移植神經元可被化學遺傳學激活并實現功能整合

作者發現膽堿能和V2a型GDN可與宿主后肢運動環路形成突觸。為驗證其在T12挫傷模型中的功能性整合，將表達hM3Dq（Gq-DREADD）的Syn1-cre脊髓NPC移植至野生型小鼠損傷部位。

結果：

移植4周后，腹腔注射CNO可顯著激活移植物中GDN（c-Fos表達升高）；電生理記錄也顯示，CNO處理后hM3Dq移植物神經元放電頻率迅速增加，而GFP對照組無變化。結果表明，移植的GDN可通過化學遺傳學手段被有效調控，具備功能性整合的潛力。

圖四 激活移植來源的神經元足以引發后肢肌肉活動

作者評估激活GDNs能否驅動后肢肌肉活動。在T12挫傷小鼠中移植三類表達hM3Dq的NPC：全GDN（Syn1-cre）、膽堿能（ChAT-cre）或V2a型（Chx10-cre）。

結果：

移植9周后腹腔注射CNO，傳統運動評分無變化，但更敏感的運動序列分析（MoSeq）顯示：Syn1-cre組在理毛、行走、直立等行為上顯著改變；三組均出現從靜止轉向直立概率上升、理毛概率下降的共同模式，提示移植物影響行為動態。第10周肌電圖記錄顯示：CNO處理后，三組部分動物后肢肌肉放電顯著增強（>30次/分鐘，遠超未移植對照），個別高達數百次/分鐘；但也有動物無反應，表明連接強度存在個體差異。總之，激活GDNs可功能性驅動宿主腰段運動環路引發后肢肌肉活動，但依賴于移植物與宿主的有效整合。

綜上所述，該研究證實移植的脊髓神經元可在損傷脊髓中與宿主后肢運動環路形成功能性突觸連接并在激活后驅動肌肉活動，為細胞移植修復脊髓損傷提供了關鍵機制依據和潛在治療方向。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65395-7

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