2021年9月21日23点，《Cell Reports》期刊在线发表题为《小脑去极化扩布介导发作性运动障碍》的研究论文，该项研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心熊志奇研究组完成。该研究基于发作性运动诱发性运动障碍（paroxysmal kinesigenic dyskinesia, pKD）的模型小鼠，利用电生理、钙成像以及行为学分析等技术手段，证明pKD致病基因pRRT2突变会导致小脑皮层对去极化扩布（spreading depolarization）易感，该发现为pKD神经病理机制的研究提供了新的理论和实验范式，也为pRRT2相关发作性神经系统疾病的治疗提供了新的思路。 pKD属于发作性神经系统疾病，主要由pRRT2基因功能缺失性突变所致。突然运动或身体姿势改变会诱导患者出现不自主运动，表现为手舞足蹈、姿势异常、手足徐动、投掷动作或其它非自主运动，可持续数秒至数十秒不等。以往的临床研究中，该疾病的发作症状已得到较为全面的描述，但是介导不自主运动障碍发生、发展和终止的神经病理机制一直未知。 熊志奇研究组在系统性研究发作性运动障碍的病理机制过程中，发现pKD模型小鼠小脑皮层对去极化扩布极其易感，对小脑皮层颗粒细胞进行不同类型的刺激均能有效诱导去极化扩布的产生和传播，并且去极化扩布总是与运动障碍的发作并行发生。基于该发现以及小脑对运动调节的重要作用，研究团队首次提出了发作性运动障碍的“小脑去极化扩布”假说（图1）。 图1. 去极化波在小鼠小脑皮层缓慢扩布示意图。去极化扩布或称扩布性去极化波，是一类病理状态下由局部刺激诱发的能在大脑灰质区缓慢扩布的强直性去极化事件，常伴发于急性脑损伤、急性脑血管病以及先兆型偏头痛等。以往的研究表明，大脑皮层和海马组织对去极化扩布较为易感，而小脑皮层则对此事件有很强的抗性。到目前为止，塑造小脑皮层该特性的细胞分子机制尚未得到确切阐述。 该项研究工作表明，小脑颗粒细胞中的pRRT2蛋白在小脑抵抗扩布性去极化的过程中扮演了重要角色。pRRT2蛋白通过延缓失活状态钠离子通道的恢复减少其在重复刺激过程中的开放，进而减弱神经元的持续兴奋能力，以此阻止局部刺激诱导去极化扩布在小脑皮层的产生。在小鼠小脑皮层颗粒细胞中选择性敲除prrt2基因则使小脑皮层处于去极化扩布易感状态。进一步研究表明，在prrt2 基因敲除小鼠中，去极化波从触发点开始会以1.5-3 mm/min 的速度在小脑皮层内向四周扩布，并使所过区域细胞外钾离子浓度急剧升高，致使小脑颗粒细胞和浦肯野细胞发生长时间的持续去极化，最终导致浦肯野细胞发生去极化阻滞（depolarization block）而停止规律性的动作电位发放。浦肯野细胞是小脑皮层主要的输出神经元，其神经末梢投射至小脑深部核团（cerebellar deep nuclei），形成小脑浦肯野-深部核团环路。该项研究表明，小脑去极化扩布可能通过该环路对深部核团神经元正常活动产生严重干扰，并导致发作性运动障碍的发生（图2）。

图2. pRRT2缺失或功能缺陷可以通过增强钠离子通道功能使小脑皮层对去极化扩布易感。去极化扩布在小脑皮层的传播干扰小脑浦肯野-深部核团环路功能并最终导致发作性运动障碍。

该项研究由中科院脑智卓越中心熊志奇研究员指导，由陆斌、娄森森、徐若水、孔德伦、吴荣杰和张静等团队成员合作完成。研究生庄凌、吴雪妹和何俊彦以及浙江大学医学院吴志英教授参与了该研究。该项研究还得到了中科院脑智卓越中心其它研究组和平台多位老师和同学的帮助。上海市科委、中科院、基金委和科技部对该项研究进行了资助。

该研究是熊志奇研究组与吴志英团队合作研究pKD疾病的系列成果之一。自2011年与吴志英团队及王柠、陈万金团队合作发现第一个pKD致病基因pRRT2 （Chen et al., 2011）至今，研究团队在pKD病理机制研究、动物疾病模型构建以及脑疾病干预手段的研究中取得了一系列创新研究成果。2013年，与吴志英团队合作，发现使用小剂量卡马西平对pRRT2突变引起的pKD患者具有显著的治疗效果(Li et al., 2013)；2017年，与杨辉、孙强团队合作，构建出猕猴prrt2基因完全敲除模型 (Zuo et al., 2017)；2018年，发现小鼠小脑颗粒细胞突触前pRRT2功能缺陷导致模型小鼠出现pKD样行为异常 (Tan et al., 2018)；2021年，与孙强、刘真团队合作，开发了prrt2基因缺失猴加速传代技术 (Liu et al., 2021)；今年9月，熊志奇团队与吴志英团队再度合作，发现了 pKD的第二个致病基因TMEM151A (Li et al., 2021)。基础与临床团队长达10余年的紧密合作，在pKD疾病的精准诊断、发病机理和治疗干预方面完成了多项重要的创新性工作，奠定了中国科学家在pKD研究领域的国际引领地位。