前言
既往認為成熟的少突膠質細胞不參與神經的再髓鞘化，但是最近對脫髓鞘損傷的大型動物模型的研究表明，成熟少突膠質細胞可以產生新的髓鞘。此外，神經元活動可以調節朗飛氏結間長度和髓鞘厚度，這意味著成熟少突膠質細胞可以通過神經活動依賴的方式調節髓鞘形成過程。因此，在脫髓鞘損傷後，機體可能存在內源性機制，通過新生和倖存的少突膠質細胞調節髓鞘的修復。
在人類和齧齒動物中，運動學習可通過誘導成熟中樞神經系統中少突膠質細胞前體細胞（OPCs）的增殖和分化（類似於脫髓鞘損傷時的OPC反應）改變白質結構。然而，運動學習對脫髓鞘過程是協同還是拮抗作用並不清楚。個性化行為幹預正越來越多地應用於臨床脫髓鞘疾病的治療。人們希望通過優化行為幹預的方式和時間使髓鞘重塑的內源性機制同步，以驅動更多的髓鞘再生。
01
前爪觸碰訓練（forelimb reach training）動態調節少突膠質細胞譜系和髓鞘形成。
在學習和演練對側前爪觸碰小球（single-pellet contralateral forelimb reach task）的過程中，研究者使用縱向雙光子活體成像技術對控制前爪活動的運動皮層區域進行觀察(圖1a,b)。使用2 - 3月齡（此時少突膠質細胞正在形成中）的轉基因小鼠(MOBP-EGFP小鼠，皮質中的所有正在形成髓鞘的少突膠質細胞和髓鞘中均表達EGFP；圖1 c)作為研究對象。為了區分學習的過程和學習的效果，研究者分別在初始訓練和訓練完成1個月後進行活體成像。
研究結果顯示，運動學習先短暫性地降低、隨後升高前肢運動皮層少突膠質細胞形成的比率 (圖1d,e)。少突膠質細胞減少僅限於訓練期間,訓練結束後，少突膠質細胞形成比率立即上升，增加了近2倍（分別為0.77 ± 0.19%和0.40 ± 0.04;圖1 e)，並持續升高3周。然而,預演沒有改變少突膠質細胞形成的比率, 學習後增加的少突膠質細胞最終逐漸減少(圖1 f）。總的來說，經過訓練(學習和預演)的小鼠比未經訓練的小鼠少突膠質細胞形成的比率更高。只有前爪運動皮層 layer I 的變化穩定(圖1g); 該區域是運動學習加強神經元之間水平方向上聯繫的部位。
在正常生理條件下，少量髓鞘呈現動態長度變化。學習後一周，小鼠中動態變化存在的髓鞘比例顯著增加。學習既增加了髓鞘收縮的比例，也增加了髓鞘收縮的距離(圖1i,j)。學習還調節了髓鞘重構的時間，學習時生長中的髓鞘停止延長，並導致之前穩定的髓鞘收縮(圖1k)。新的髓鞘不是由已經存在的少突膠質細胞產生的。
為了進一步探究運動學習是如何促進少突膠質細胞的生成, 研究者在OPCs膜表達EGFP的轉基因小鼠中（NGG2-mEGFP mice），使用縱向的在體雙光子成像技術，連續5周追蹤前爪運動皮層OPC的遷移、增殖、分化和死亡(圖2 a, b)。在學習後一周，OPC分化比率增加兩倍(學習期間0.59±0.10%，學習後1.23±0.19%;圖2 c);在學習期間，OPC分化比率不受影響，然而與基線相比，所有5隻小鼠均表現出增殖比率下降(~50%)。無論是增殖率還是死亡在5周內均無明顯差異(圖2d,e)。在為期5周的觀察中，只有10.91±3.77%的OPCs在分化前曾發生過增殖。故認為不對稱分化的比例不受運動學習的影響(圖2a,f,g)。為了評估運動學習後OPC分化的增加來自於局部腦實質OPCs還是臨近腦區或生發區的前體細胞，研究者對遷移入成像區域的OPCs進行了追蹤。移入和移出相關區域的OPCs數量不僅少而且不受學習影響，並且增殖和分化的比例也非常低。這些數據表明，在學習任務完成後，運動皮層本地的OPCs直接進行分化。
02
脫髓鞘導致少突膠質細胞丟失、改變髓鞘形成模式，造成運動皮層的功能缺失。
10周齡的MOBP-EGFP小鼠餵食0.2%cuprizone飼料3周以誘導少突膠質細胞死亡(約90%在前肢運動皮層;圖3a)，結果觀察到髓鞘和成熟的少突膠質細胞的丟失。與此不同的是，皮質OPCs數量未發生變化(圖4)。
皮層各個層次中少突膠質細胞的丟失程度一致，只留下少量完整的少突膠質細胞(12.94±3.10%，圖3 b, c)和髓鞘。Cuprizone減少了少突膠質細胞形成, 85% 的新生細胞在3周內死亡。少突膠質細胞的死亡遵循雙相模型：首先是髓鞘丟失,其次是胞體死亡（圖3 d, e)。平臺期發生於停cuprizone後大約15天 (圖3f)。去除cuprizone後會引發強烈的少突膠質細胞形成反應，與少突膠質細胞損失程度成正比，並且大約在3周時達到平臺期(圖3f,g)。無論髓鞘再生還是健康狀態下，新生少突膠質細胞的皮層分布具有相似性。再髓鞘化的過程中，少突膠質細胞的最大發生率可以達到未經過訓練的健康小鼠的6倍，經過訓練的健康小鼠的4倍。
停用cuprizone後對小鼠進行了長達60天的觀察以進一步描述少突膠質細胞發生反應的特徵。用再髓鞘過程中新生少突膠質細胞數量佔少突膠質細胞損失的比例(「少突膠質細胞替代率」，百分比)進行量化。cuprizone停止後少突膠質細胞替代率遵循s型模式，使用三參數(3P) logistic方程來定量描述。曲線的拐點(當少突膠質細胞發生從加速轉變為減速)和曲線的漸近線(少突膠質細胞替代率的平臺)是研究者感興趣的點。少突膠質細胞的替代現象要滯後大約4天，並且達到平臺期後其數目顯著低於少突膠質細胞的損失(圖3h)。在7周內再髓鞘化並不能使少突膠質細胞恢復到基線的數量。
對小鼠進行體內細胞外記錄。cuprizone幹預組停止給藥後，近端髓鞘化的神經元的比例下降超過50%，神經元放電率的中位數在停藥後第一周和第二周分別增加了70%和40%(圖3i,j)，這表明它們處於過度興奮狀態，與少突膠質細胞丟失相關。在停藥後的第3和第4周，再髓鞘化達到平臺期時，脫髓鞘小鼠的神經元放電率與年齡匹配的對照組沒有區別。綜上所述，這些結果表明：cuprizone介導的脫髓鞘導致了支配前爪的運動皮質區域的神經元功能異常，該功能的恢復與再髓鞘化同步。
再髓鞘化不能完全恢復少突膠質細胞的基線數量，但神經元功能得以恢復。再髓鞘過程中新生少突膠質細胞產生髓鞘的數量、長度和位置值得進一步探究。再髓鞘化的第一周，新生少突膠質細胞形成的髓鞘多於第二周或對照組（圖4 a - c)。在健康小鼠再髓鞘化的過程中，新生少突膠質細胞生成的髓鞘3天內穩定到相似長度(圖4d-f)。因此，在脫髓鞘後的一周內，新生少突膠質細胞髓鞘數量的增加導致平均每個少突膠質細胞的髓鞘總量增加(圖4 g)。此外，新生成的少突膠質細胞髓鞘經常出現在之前沒有髓鞘的區域，從而在脫髓鞘損傷後形成一種新的髓鞘再生模式(圖4h,i)。這些發現表明單個少突膠質細胞的髓鞘再生能力在早期的再髓鞘化過程中增強，而新生的少突膠質細胞改變了皮層的髓鞘生成模式。
03
運動學習以時間依賴性的方式調節脫髓鞘後的少突膠質細胞形成
小鼠分成三組:「靜止」「早期學習」(cuprizone停藥後3天開始)和「延遲學習」(cuprizone停藥後10天開始;圖5 a, b)。行為幹預並不影響脫髓鞘的嚴重程度(圖5c)和再髓鞘化過程中少突膠質細胞發生的最大速率(圖5d)。
早期學習組的小鼠未能成功進行運動學習 (圖5e）。運動功能受損與運動皮層前肢支配區域的神經元興奮過度有關，剛好對應整個早期學習階段(圖5f,g)。學習訓練可以抑制50%的少突膠質細胞替代率 (圖5b,h)，導致少突膠質細胞替代率的拐點延遲(從9天延遲到15天; 圖5i)。與健康對照組相比，學習訓練對少突膠質細胞再生的抑制程度較輕(分別為75%和50%）。但是訓練後的階段，少突膠質細胞形成率並沒有增加(圖5h)。總之, 脫髓鞘後，運動受損，運動皮層神經元過度興奮，學習訓練不成功這一現象說明少突膠質細胞對於再髓鞘化無益。
由於早期學習失敗，研究者在cuprizone停藥後10天對小鼠進行訓練(對應髓鞘再生反應的50%最大值;圖3 h)。與健康小鼠相比，延遲學習組的小鼠在行為學上 (圖5j)並沒有表現損傷。脫髓鞘小鼠在訓練結束時(cuprizone後17天)，其成功率與對照組沒有區別。在未經過訓練的脫髓鞘小鼠中，少突膠質細胞形成的速度直曬減慢3周，但在延遲學習組的小鼠中速度未減慢。延遲學習者中少突膠質細胞替代的拐點被延遲(從9天到13天;圖5n)，少突膠質細胞替代水平明顯增高高(74.56±2.26% vs 60.52±3.03%)。延遲學習的成功率與少突膠質細胞替代無關。總之，部分髓鞘再生使神經元功能和運動學習的能力得到恢復，部分再髓鞘化後進行的運動學習促進了長期少突膠質細胞的形成。
脫髓鞘化7周後，延遲學習組的小鼠相對於未學習組，少突膠質細胞替代率提高20%，運動皮層I-III的少突膠質細胞密度多出40%(分別為79.24±4.56% vs 58.43±5.26% 和86.67±5.36 vs 60.67±4.06 每0.06 mm3少突膠質細胞;圖6 a - c)。延遲學習並沒有改變單個新生少突膠質細胞形成髓鞘的數量(圖6d)，但是類似於健康小鼠（圖1i-k)，收縮的比例增加了 (圖6e)。在未訓練和延遲學習的小鼠中，來自新生少突膠質細胞的髓鞘與裸露軸突的再生髓鞘無明顯差異(圖6f)。由於長時間持續的少突膠質細胞發生,延遲學習組髓鞘替換的數量幾乎是未訓練小鼠的兩倍(62.22±8.12% VS 34.72±8.84%；圖5 n和6 a - c)。因此,研究者推測在脫髓鞘化後7周, 延遲學習的小鼠幾乎替換了基線髓鞘數量的90%, 而未經訓練的小鼠僅替換了54%(圖6 h)。據此推算，裸露軸突的再髓鞘化在延遲學習組是未訓練組的兩倍(分別為30.19±1.33% vs 16.38±2.37%;圖6i)。
04
運動學習促進了已存在的成熟少突膠質細胞參與再髓鞘化
為了確定成熟少突膠質細胞的參與程度, 作者使用縱向體內成像和半自動追蹤技術重建髓鞘和少突膠質細胞連接的過程。在cuprizone誘導脫髓鞘和髓鞘再生模型中追蹤單個少突膠質細胞形成的髓鞘。未接受訓練和延遲學習組之間少突膠質細胞的存活無差異(12.29±7.32% vs 20.84±6.60%)。經過3周的cuprizone幹預後，未經訓練組所有存活的少突膠質細胞均有髓鞘丟失，在極少數情況下(1 / 19)少突膠質細胞形成新的髓鞘，存活的少突膠質細胞的髓鞘收縮增加。延遲學習並不影響原有髓鞘的重塑程度，但促使原有少突膠質細胞新生成髓鞘 (圖7d,e)，原有的少突膠質細胞在成像開始1.7個月後依舊能產生髓鞘，這表明髓鞘生成的能力是少突膠質細胞的一種擴展特性(圖7f)。
原有少突膠質細胞髓鞘的生成與訓練有時間相關性。在學習過程中，產生新髓鞘的原有少突膠質細胞數量增加了40%以上，並在隨後的幾周內持續存在(圖7g)，由存活的少突膠質細胞產生的新生髓鞘累積數量在延遲學習組比未訓練組中更多(圖7h)。一旦學習開始後，存活的少突膠質細胞的髓鞘損失停止，這與未經訓練組的髓鞘損失不同，後者在cuprizone停藥後持續了2周(圖7i)。損失的髓鞘數量與單個少突膠質細胞產生的髓鞘數量無關(圖7j)。
皮質I層中原有的少突膠質細胞髓鞘生成量高於II/III層(圖7k,l)。存活的少突膠質細胞在裸露和無髓鞘的軸突上都形成了新的髓鞘(圖7m)。相對於新生成的少突膠質細胞，存活的少突膠質細胞使裸露軸突再髓鞘比例顯著增加(圖7n)。學習誘導的髓鞘損失停止和存活的少突膠質細胞產生新的髓鞘結合，保留了更多的初始髓鞘形成模式(圖7o)。
總結
以上結果表明，脫髓鞘後，運動學習特異性地增強了原有的少突膠質細胞產生新髓鞘和維持原有髓鞘的能力。
原始文獻：
Bacmeister CM, Barr HJ, McClain CR, et al. Motor learning promotes remyelination via new and surviving oligodendrocytes. Nat Neurosci. 2020;23(7):819-831. doi:10.1038/s41593-020-0637-3