《Alzheimers & Dementia》：The cholinergic system exerts opposing effects on memory at different stages of disease progression in Alzheimer's and Down syndrome model systems
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本综述重新审视了经典的“胆碱能假说”，揭示了在阿尔茨海默病（AD）和唐氏综合征（DS）相关AD模型中，胆碱能信号对记忆的影响并非一成不变。研究通过化学遗传学和药理学手段双向调控内侧隔区（MS）胆碱能神经元，发现早期疾病阶段（年轻小鼠）因胆碱能过度活跃导致记忆障碍，抑制该通路可恢复记忆；而在晚期（年老小鼠），胆碱能功能衰退，增强该通路（如使用多奈哌齐）则能改善记忆。这一发现为AD和DS不同疾病阶段的胆碱能疗法提供了全新的、阶段特异性的治疗框架。
背景
胆碱能系统在学习与记忆中扮演核心角色，其退化是阿尔茨海默病（AD）痴呆的一个关键标志。长期以来，“胆碱能假说”认为胆碱能信号在AD中普遍不足，因此增强胆碱能神经传递可能改善记忆。然而，胆碱能疗法（如乙酰胆碱酯酶抑制剂）的疗效仍存在争议，尤其在疾病早期阶段，疗效有限且伴有副作用。越来越多的证据表明，胆碱能系统的变化并非在AD进展中一成不变。在晚期AD痴呆中，胆碱乙酰转移酶（ChAT）免疫反应性显著降低；而在轻度认知障碍（MCI）或早期AD阶段，人类和小鼠模型中ChAT表达反而上调，这可能反映了对基底前脑胆碱能神经元早期退化的一种代偿性反应，或是神经元活动增加的结果。在唐氏综合征（DS）中，基底前脑胆碱能神经元甚至在出生时就表现出ChAT表达升高。尽管经过了数十年的研究，胆碱能疗法的效果尚未在不同疾病阶段进行系统评估，也未在AD和DS相关AD的整个病程中以双向、细胞类型特异性的方式进行深入研究。
方法
本研究使用了Tg2576（AD模型，n=38）、Ts65Dn（DS模型，n=14）和野生型（WT，n=17）小鼠，分别在年轻（3-4个月）和年老（>14个月）年龄段接受处理。为了减少胆碱能信号，采用了内侧隔区（MS）胆碱能神经元的化学遗传学抑制（使用抑制性DREADD受体和CNO）或使用毒蕈碱受体拮抗剂东莨菪碱。为了增强胆碱能信号，使用了乙酰胆碱酯酶抑制剂多奈哌齐。记忆评估采用新物体识别（NOR）任务。
结果
胆碱能拮抗作用恢复年轻Tg2576和Ts65Dn小鼠的记忆
研究首先证实，年轻（3-4个月）的Tg2576小鼠在NOR任务中存在严重的记忆缺陷，而此时Aβ斑块尚未可检测。通过化学遗传学方法抑制表达在MS胆碱能神经元中的抑制性DREADD（iDREADD），并给予CNO后，年轻ChAT-Cre::Tg2576小鼠在NOR测试中表现出对新颖物体的显著偏好，记忆得到恢复。相比之下，仅表达荧光标签mCherry的对照组小鼠仍存在记忆障碍。进一步使用药理学方法，给予东莨菪碱（毒蕈碱受体拮抗剂）同样能够恢复年轻Tg2576小鼠的记忆表现。为了验证这一发现的普适性，研究在年轻（4个月）的Ts65Dn（DS模型）小鼠中进行了测试。这些小鼠同样表现出NOR记忆缺陷。给予东莨菪碱后，Ts65Dn小鼠的记忆表现也得到显著改善。这些结果表明，在疾病早期阶段，降低胆碱能张力对记忆有益。
抑制年老Tg2576小鼠的MS胆碱能神经元无法改善记忆
在年老（19-22个月）的Tg2576小鼠中，即使同样通过化学遗传学方法抑制MS胆碱能神经元，也未能改善其在NOR任务中的记忆表现。这与在年轻小鼠中观察到的显著改善效果形成鲜明对比，表明胆碱能抑制的益处具有年龄或疾病阶段依赖性。
增强胆碱能信号改善年老而非年轻小鼠的记忆
研究接下来测试了增强胆碱能信号的效果。使用多奈哌齐处理后，年老（14-19个月）的Tg2576小鼠在NOR任务中的记忆表现得到显著改善，其表现恢复至与野生型对照组相当的水平。然而，相同的多奈哌齐处理对年轻（3-4个月）Tg2576小鼠的记忆缺陷无效。
研究在第二个模型——Ts65Dn小鼠中进一步验证了这一发现。年老（13-18个月）的Ts65Dn小鼠表现出严重的NOR记忆障碍，而多奈哌齐处理能显著改善其记忆。相反，多奈哌齐处理对年轻（4个月）Ts65Dn小鼠的记忆没有改善作用。这些结果共同表明，增强胆碱能信号在疾病晚期阶段有效，但在早期阶段无效。
胆碱能操作在野生型小鼠中的双向效应
为了探究这些发现的疾病依赖性，研究在野生型（WT）小鼠中进行了测试。在年轻（3-4个月）的ChAT-Cre WT小鼠中，化学遗传学抑制MS胆碱能神经元会损害其记忆表现。这与在同年
龄Tg2576小鼠中观察到的记忆恢复效果完全相反，突显了胆碱能调控效果对疾病状态的依赖性：在功能正常的脑中是损害性的，在疾病早期模型中却是恢复性的。
另一方面，多奈哌齐处理能够改善年老（13-20个月）WT小鼠的记忆表现，这与在年老疾病模型小鼠中观察到的效果一致，表明年龄相关的胆碱能功能下降可能使增强胆碱能信号普遍有益。
讨论
本研究的主要发现挑战了长期存在的胆碱能假说，即增强胆碱能神经传递是普遍有益的。研究揭示了胆碱能调控对记忆的影响具有明确的疾病阶段依赖性。与普遍认为胆碱能拮抗作用普遍有害的观点相反，研究表明它可以逆转年轻Tg2576和Ts65Dn小鼠的记忆缺陷，但在同龄WT或更年老的动物中则无效，后者反而需要胆碱能增强来改善认知。这是首次揭示胆碱能信号功能在疾病进展过程中发生动态转变，超越了简单的线性缺陷模型。这一新颖的概念框架有助于制定旨在减轻AD痴呆和DS相关AD早期认知症状的策略。
MS胆碱能过度活跃驱动早期记忆障碍
MS的化学遗传学抑制有力地恢复了年轻Tg2576小鼠的记忆，这表明早期的认知缺陷可能源于胆碱能过度活跃。这一解释与先前在Aβ斑块沉积前Tg2576小鼠中MS胆碱能神经元过度活跃的证据一致。这种过度活跃可能干扰记忆处理。从转化角度看，年轻的Tg2576小鼠可能与患有MCI或主观认知下降的成年人相关，而年轻的Ts65Dn小鼠可能与表现出早期Aβ相关病理迹象的年轻DS成年人相关。
调和先前关于抗胆碱能药物对认知作用的发现
过去对正常老年人的研究表明，东莨菪碱对认知的影响似乎是有害的。这可能归因于与年龄相关的胆碱能信号下降，而抗胆碱能药物会进一步削弱这种信号。相反，老年人可能受益于增加乙酰胆碱，这得到了我们在年老WT小鼠中使用多奈哌齐后观察到改善的支持。因此，抗胆碱能药物的效果可能因正常个体的年龄而异。
在患有AD的老年受试者中，有报道称其对东莨菪碱认知损害作用的敏感性高于年龄匹配的对照组。然而，也有改善的报道，这可能是因为个体处于更早的疾病阶段。这些发现提高了东莨菪碱在这些模型中的效果可能取决于疾病阶段的可能性。
AD中胆碱能系统功能的阶段依赖性转变
MS抑制未能改善年老Tg2576小鼠的记忆表现。这些发现指向胆碱能回路功能的转变——从早期的过度活跃到晚期的衰退。事实上，胆碱能退化在老年时期已有报道，而此时我们发现MS抑制无效。因此，我们推断胆碱能信号下降需要一种相反的策略——增强而非抑制胆碱能功能。作为支持，多奈哌齐改善了年老而非年轻Tg2576和Ts65Dn小鼠的记忆。
胆碱能调控在WT小鼠中的双向效应
为了探究这些发现的疾病依赖性，我们研究了WT小鼠。MS抑制损害了WT的表现，而相同的操作在年轻Tg2576小鼠中却恢复了记忆，这表明了疾病特异性反应。这些发现突显了一个未被充分认识的关键区别：虽然降低胆碱能张力可以恢复疾病状态下的记忆功能，但相同的操作在功能正常的大脑中却是有害的。
对DS胆碱能假说的新见解
尽管多奈哌齐对DS相关AD痴呆患者有效，但其在更早疾病阶段（如前驱期/MCI）的效果尚不清楚。我们的数据预测多奈哌齐在疾病早期阶段无效。神经生物学数据提供了一种潜在的解释。DS患者非常年轻的基底前脑神经元显示出升高的乙酰胆碱酯酶和ChAT，表明胆碱能异常与高水平的乙酰胆碱一致。这些发现和我们的数据表明，DS中胆碱能功能障碍可能存在双相轨迹，早期乙酰胆碱合成和释放增加，随后减少。
机制见解
是什么可能导致MS早期的过度兴奋？MS胆碱能神经元中的寡聚Aβ肽可能起到一定作用，因为它们可以在细胞培养模型和体内增加神经元放电。过度磷酸化tau（p-tau）水平升高也可能有所贡献，因为tau升高与活动增加有关，而减少tau则对兴奋性毒性具有保护作用。
结论与对阶段特异性治疗策略的意义
我们的发现通过表明胆碱能调控的认知影响可能取决于这些小鼠模型中的疾病阶段（反映在年龄和基因型上），从而完善了胆碱能假说。一种可能的解释是，胆碱能回路内的早期过度活跃会损害认知处理。后来，随着疾病变得严重，胆碱能信号的缺乏也可能有所贡献，正如最初的胆碱能假说所提出的。如果这是真的，那么缓解早期的胆碱能过度活跃和在后期的增强胆碱能功能都可能被证明是有益的。尽管直接转化为治疗仍然复杂，但这些结果为AD和DS中基于疾病阶段的认知疗法提供了理论依据。
未来的研究应评估是否可以使用非侵入性生物标志物在人类中识别早期的胆碱能过度活跃，例如通过快速眼动睡眠脑电图测量皮层过度兴奋性，或通过分子和成像指标评估胆碱能完整性，如囊泡乙酰胆碱转运体PET、乙酰胆碱酯酶水平和活性、胆碱或ChAT水平。
局限性
尽管本文报告的发现为原始的胆碱能假说和胆碱能疗法提出了新的考虑，但仍存在局限性。例如，即使按我们建议的那样进行修改，胆碱能假说本身也无法解释AD和DS相关AD痴呆中全部的认知和行为症状谱。其他机制，包括血管功能障碍、神经炎症、tau病理、缺氧、网络级破坏等，都有所贡献。其他神经递质，包括谷氨酸、GABA和单胺类，可能独立地或与乙酰胆碱协同作用。因此，虽然我们关注乙酰胆碱对于重新审视标准胆碱能假说很有价值，但要更好地理解导致痴呆的因素，需要整合多种相互作用的病理途径。此外，这些在转基因小鼠模型中的发现在多大程度上适用于人类AD和DS相关AD尚属未知。
