《Neurobiology of Disease》：Spinal circuit mechanisms constrain therapeutic windows for ALS intervention: A computational modeling study
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本研究针对肌萎缩侧索硬化症(ALS)中脊髓运动环路进行性退变的治疗窗口难题，通过构建首个模拟ALS病程的脊髓节律发生器(CPG)计算模型，揭示了抑制性V1中间神经元失调导致运动神经元(MN)输出失衡及屈肌偏向活动，并发现V1突触稳定化可改善运动功能甚至挽救V2a兴奋性中间神经元。研究首次通过模型预测与实验验证相结合，明确了突触稳定化干预的有效时机需在突触动力学稳态恢复后，为临床前研究提供了关键时间框架。
当谈及神经退行性疾病中的"渐冻症"——肌萎缩侧索硬化症(ALS)，医学界始终面临一个严峻挑战：患者脊髓中控制运动的精细神经网络如何逐步瓦解？更关键的是，在疾病发展的哪个时间点进行干预最能挽救运动功能？近年来，科学家们将目光投向了脊髓内负责协调行走节律的"中央模式发生器"(CPG)，这个由兴奋性与抑制性神经元精密构成的网络，恰似一个生物节律起搏器。在ALS病程中，CPG网络的退化被认为早于运动神经元的死亡，但其中具体机制和干预时机一直模糊不清。
以往研究表明，抑制性V1中间神经元会率先出现突触丢失和功能失调，继而导致兴奋性V2a中间神经元和运动神经元的退化。引人注目的是，通过稳定V1神经元与运动神经元之间的连接，能在ALS小鼠模型中改善运动功能并挽救运动神经元。然而，这种干预究竟应该在疾病哪个阶段实施？过早或过晚干预是否会适得其反？这些关键问题亟待解答。为此，研究团队在《Neurobiology of Disease》上发表了创新性研究，通过计算生物学与实验科学相结合的独特策略，为ALS治疗时间窗的确定提供了全新见解。
为系统研究这一问题，团队采用了多层次研究方法：首先构建了模拟脊髓 locomotor CPG 的脉冲神经网络模型，该模型基于flexor-driven（屈肌驱动）架构，包含完整的兴奋-抑制平衡网络；利用SOD1G93AALS小鼠模型的转录组数据确定不同疾病阶段（P45、P63、P112）的细胞丢失比例；通过免疫组化分析Chx10阳性V2a中间神经元数量和VGlut2阳性兴奋性突触面积；采用AAV-PHP.eB载体实现V1特异性Esyt1基因过表达干预。
健康网络输出模拟屈肌驱动的CPG架构
研究人员首先建立了健康的脊髓CPG网络基准模型，该模型成功模拟了生理状态下2-3Hz的振荡频率和屈肌-伸肌交替活动。模型显示，在屈肌驱动架构下，网络自然产生伸肌主导的步态周期，与既往实验观察一致。
网络在抑制丢失后呈现屈肌偏向活动
模拟疾病进程发现，随着V1突触投射的丢失和细胞失调，网络输出出现明显屈肌偏向活动，振荡频率逐渐增加，步态周期从伸肌主导转变为屈肌主导。这些变化精准再现了ALS小鼠模型中观察到的运动表型。
稳定V2a群体在V1失调后增加输出变异性
在疾病晚期（P112），单独挽救V2a中间神经元或运动神经元均不能完全恢复平衡输出。有趣的是，保留V2a神经元虽然能稳定屈肌-伸肌放电率，却会破坏节律时间协调性，提示不同神经元群体对网络平衡的差异化调控作用。
外源性突触干预在疾病晚期恢复运动输出特征
突触稳定化干预在所有疾病时间点均能降低屈肌偏向活动，恢复频率和相位。但模型预测，要使运动输出完全恢复正常，需要同时保留V2a中间神经元和运动神经元。
计算模型预测V1突触稳定化通过挽救运动神经元和V2a中间神经元恢复放电率
研究进一步揭示，V1稳定化不仅能直接改善运动输出，还可能通过间接促进V2a中间神经元存活发挥保护作用。这一预测在动物实验中得到验证：Esyt1处理组小鼠脊髓中Chx10阳性V2a神经元数量和VGlut2阳性突触面积显著高于未处理组。
突触稳定化仅在突触动力学稳态恢复后有效
最关键的发现在于，当模型加入早期疾病中出现的突触动力学变化（Renshaw细胞与运动神经元间突触的上升/衰减时间延长）时，过早的突触稳定化会导致伸肌偏向活动，可能引发适应性不良的过度伸展。这表明干预时机至关重要，最佳窗口出现在内源性稳态补偿恢复突触动力学之后。
这项研究的深刻意义在于首次通过计算模型量化了ALS脊髓环路退化的动态过程，并明确了突触稳定化治疗的有效时间窗。模型预测与实验验证的完美结合，不仅证实了V1稳定化对V2a神经元的保护作用，更揭示了兴奋/抑制(E/I)平衡对治疗效果的调控作用。该研究为临床前研究提供了明确的干预时间框架，提示未来ALS治疗策略需考虑神经网络的内在平衡状态和可塑性变化。对于数百万ALS患者而言，这项研究指向了一个更具针对性的治疗方向：在正确的时机，修复正确的神经连接，或许能真正"冻结"疾病的进展脚步。
