阿尔茨海默病嗅觉功能障碍的神经环路机制探索

Olfactory dysfunction was closely related to Alzheimer's disease (AD), but there were few researches on the relationship between them and the possible mechanisms involved. Our preliminary data with trans-synaptic virus tracing showed that in the transgenic AD model mouse, the changes of olfactory associated neural circuits appeared much earlier and more significant than classic methods found. Therefore, this project will perform on the APP/PS1 transgenic mice, combining neurotropic virus tracing, immunohistochemical staining and microscopic optical imaging to reveal the spatial and temporal pattern of olfactory associated neural circuits changes at the neuronal level. Furthermore, detailed structural analysis, optogenetic, electrophysiological and behavioral technologies will be used to reveal the influence of specific neural circuits (such as cholinergic, adrenergic and serotonin) on the electrical activity of olfactory system and animal behavior. Through integrated analysis of the above results, this project will provide new information about the role of specific neural circuits in the olfactory dysfunction related to AD, and the relationship among changes at microscopic, mesoscopic and macroscopic levels, offering new ideas and strategies for further study on the mechanisms of olfactory dysfunction related to AD, early warning and diagnosis of AD.

嗅觉功能障碍与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）密切关联，但对其相互关系和内在机制的研究很少。申请人采用工具病毒示踪神经环路的方法得到的初步结果表明，转基因AD模型小鼠嗅觉相关神经环路的改变比经典研究方法发现的改变出现更早、更显著。因此，本项目拟在APP/PS1转基因小鼠中，结合嗜神经病毒神经环路示踪、免疫组化和显微光学成像技术，揭示嗅觉相关神经环路在神经元水平上改变的时空模式。在此基础上，选取一个具有显著差异的代表性脑区，揭示环路精细结构的变异，并利用光遗传学、电生理和行为学方法，研究特定类型神经环路（如胆碱能、肾上腺素能和5-羟色胺能）对嗅觉相关脑区电活动和动物行为的影响。通过整合分析上述实验结果，明确特异类型神经环路在AD相关嗅觉功能障碍中的作用，建立微观、介观和宏观水平上改变的关系，为进一步研究AD嗅觉功能障碍机制，AD预警和早诊等提供新的思路和策略。

随着人口老龄化日益加剧，阿尔茨海默病患者逐年增加，表现为进行性的感觉、认知和运动障碍，给社会和家庭带来沉重负担。目前关于AD发病机制尚不明确，缺乏早期诊断方法，没有有效治疗手段等。研究发现，AD患者普遍存在嗅觉功能障碍，早于认知功能障碍的发生。近期大样本人群长期跟踪研究发现，严重嗅觉障碍患者5年内发展为记忆性障碍的比例比嗅觉正常者风险高30倍。基于此，我们提出了“嗅觉相关环路涉及AD发生发展”的假说。通过本项目研究发现，以嗅球为种子点，静息态脑功能磁共振成像显示3月龄AD模型小鼠就已出现全脑范围内多脑区功能连接显著降低，电生理记录嗅觉相关脑区活动也发现功能连接下降；以嗅球为注射点，伪狂犬病毒（PRV）逆向跨多级突触示踪显示3月龄AD模型小鼠调控嗅球的多个脑区就已出现了解剖投射的明显减少。而且结构连接明显减弱的脑区，AD病理性标志物Aβ沉积较多，进一步通过免疫组化实验确定，投射明显减少涉及的神经元类型，既有兴奋性的，也有抑制性的神经元。该研究结果为“嗅觉相关环路涉及AD发生发展”的假说提供了实验证据，有望为AD的早期诊断和治疗在神经环路水平提供新的思路和策略。在研究过程中，我们发现了一种灵敏、稳定、简单易行的检测AD病理性标志物—老年斑的方法，即利用老年斑的自发荧光对其进行检测。与常规的免疫组化、银染、刚果红染色及硫磺素染色相比，自发荧光检测具有诸多优点，而且扫描后的标本还可用于进行其他方法检测。本项目研究发现，8月龄AD模型小鼠脑片中海马等脑区的老年斑在紫外光激发下有很强、很特异的自发荧光信号，且成像深度大，对组织损伤小。而其发射光谱有两个明显的发射峰位。进一步在活体AD小鼠上观察到了老年斑的自发荧光。该研究结果可作为AD相关基础研究和临床诊断中老年斑检测简单可靠的方法。本项目研究中，利用狂犬病毒RV逆行追踪技术，观察到内侧嗅结节可直接接受嗅球等嗅觉系统神经元和腹侧被盖区中多巴胺能神经元等奖赏系统的输入；然后利用电生理记录、钙离子信号光纤记录技术，观察到内侧嗅结节神经元对多种气味刺激均有响应，同时从中脑腹侧被盖区到嗅结节的多巴胺能神经投射纤维对多种自然奖赏刺激起响应；随后利用光遗传学方法激活该投射通路可导致奖赏反应并可建立气味偏好。该研究结果有望为成瘾、偏食和肥胖等的预防和治疗提供神经环路层面的实验依据。