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[문형철]

REVIEW article

Front. Neural Circuits, 22 December 2017

Volume 11 - 2017 | https://doi.org/10.3389/fncir.2017.00110

This article is part of the Research TopicNeuromodulation of Circuits in Brain Health and DiseaseView all 35 articles

Dopamine and Acetylcholine, a Circuit Point of View in Parkinson’s Disease

Giorgio Rizzi

Kelly R. Tan*

• Biozentrum, University of Basel, Basel, Switzerland

Data from the World Health Organization (National Institute on Aging, 2011) and the National Institutes of Health (He et al., 2016) predicts that while today the worldwide population over 65 years of age is estimated around 8.5%, this number will reach an astounding 17% by 2050. In this framework, solving current neurodegenerative diseases primarily associated with aging becomes more pressing than ever. In 2017, we celebrate a grim 200th anniversary since the very first description of Parkinson’s disease (PD) and its related symptomatology. Two centuries after this debilitating disease was first identified, finding a cure remains a hopeful goal rather than an attainable objective on the horizon. Tireless work has provided insight into the characterization and progression of the disease down to a molecular level. We now know that the main motor deficits associated with PD arise from the almost total loss of dopaminergic cells in the substantia nigra pars compacta.

A concomitant loss of cholinergic cells entails a cognitive decline in these patients, and current therapies are only partially effective, often inducing side-effects after a prolonged treatment. This review covers some of the recent developments in the field of Basal Ganglia (BG) function in physiology and pathology, with a particular focus on the two main neuromodulatory systems known to be severely affected in PD, highlighting some of the remaining open question from three main stand points:

- Heterogeneity of midbrain dopamine neurons.

- Pairing of dopamine (DA) sub-circuits.

- Dopamine-Acetylcholine (ACh) interaction.

A vast amount of knowledge has been accumulated over the years from experimental conditions, but very little of it is reflected or used at a translational or clinical level. An initiative to implement the knowledge that is emerging from circuit-based approaches to tackle neurodegenerative disorders like PD will certainly be tremendously beneficial.

세계보건기구(국립노화연구소, 2011)와 미국 국립보건원(He et al., 2016)의 데이터에 따르면 현재 전 세계 65세 이상 인구는 약 8.5%로 추정되지만 2050년에는 이 수치가 무려 17%에 달할 것으로 예측하고 있습니다. 이러한 상황에서 노화와 관련된 신경 퇴행성 질환의 해결은 그 어느 때보다 시급한 과제가 되고 있습니다. 2017년은 파킨슨병(PD)과 관련 증상에 대한 최초의 설명이 나온 지 200주년이 되는 뜻깊은 해입니다. 이 쇠약해지는 질병이 처음 발견된 지 2세기가 지났지만, 치료법을 찾는 것은 아직 달성 가능한 목표가 아니라 희망적인 목표에 머물러 있습니다. 지칠 줄 모르는 연구 덕분에 분자 수준까지 질병의 특징과 진행 과정에 대한 인사이트를 얻을 수 있었습니다.

이제 우리는

PD와 관련된 주요 운동 결손이

흑질 흑질에서 도파민 세포의 거의 완전한 손실로 인해

발생한다는 것을 알고 있습니다.

콜린성 세포의 손실은

이러한 환자의 인지 기능 저하를 수반하며,

현재의 치료법은 부분적으로만 효과적이며

장기간 치료 후 부작용을 유발하는 경우가 많습니다.

이 리뷰에서는 생리학 및 병리학에서 기저핵(BG) 기능 분야의 최근 발전 사항을 다루며, 특히 PD에서 심각한 영향을 받는 것으로 알려진 두 가지 주요 신경조절 시스템에 중점을 두고 세 가지 주요 관점에서 남은 미해결 문제 중 일부를 강조합니다:

- 중뇌 도파민 뉴런의 이질성.

- 도파민(DA) 하위 회로의 페어링.
- 도파민-아세틸콜린(ACh) 상호 작용.

- Heterogeneity of midbrain dopamine neurons.

- Pairing of dopamine (DA) sub-circuits.

- Dopamine-Acetylcholine (ACh) interaction.

수년 동안 실험 조건에서 방대한 양의 지식이 축적되었지만, 그 중 번역 또는 임상 수준에서 반영되거나 사용된 지식은 거의 없습니다.

파킨슨병과 같은 신경 퇴행성 질환을 해결하기 위해

회로 기반 접근법에서 떠오르고 있는 지식을 구현하려는 이니셔티브는

분명 엄청난 도움이 될 것입니다.

Introduction

The Basal Ganglia (BG) are a group of nuclei comprising the striatum, the Globus pallidus (internal—GPi and external—GPe segments), the subthalamic nucleus (STN) and the substantia nigra (pars reticulata—SNr and pars compacta—SNc; Figure 1A). Together, these subcortical areas process sensorimotor information to allow proper movement generation, including action selection, planning, execution and orientation of locomotion (Albin et al., 1989). Beyond its well acknowledged role in motor function, recent studies have demonstrated the BG implication in motivated behavior (Kravitz and Kreitzer, 2012; Kravitz et al., 2012) which has been for a long time, attributed exclusively to the reward system. The importance of adequate BG function is highlighted in clinical evidence from BG related pathologies such as Parkinson’s disease (PD), where SNc dopamine (DA) neurons degenerate (Hornykiewicz, 1975a,b), leading to a multitude of incapacitating symptoms ranging from motor dysfunctions to cognitive disabilities (Lang and Lozano, 1998).

Overview of the main circuits of the basal ganglia. The striatum is shown in blue. Picture shows 2 coronal slices that have been superimposed to include the involved basal ganglia structures.  +  and  –  signs at the point of the arrows indicate respectively whether the pathway is excitatory or inhibitory in effect.  Green arrows  refer to excitatory  glutamatergic  pathways,  red arrows  refer to inhibitory  GABAergic  pathways and  turquoise arrows  refer to  dopaminergic  pathways that are excitatory on the  direct pathway  and inhibitory on the  indirect pathway .

소개

기저핵(BG)은 선조체, 구상체(Globus pallidus)(내부-GPi 및 외부-GPe 세그먼트), 시상하핵(STN), 흑질(실질핵-SNr 및 흑질-SNc, 그림 1A)로 구성된 핵의 그룹입니다. 이러한 피질하 영역은 함께 감각운동 정보를 처리하여 동작 선택, 계획, 실행, 운동 방향 설정 등 적절한 움직임 생성을 가능하게 합니다(Albin et al., 1989). 운동 기능에서 잘 알려진 역할 외에도, 최근 연구에서는 보상 시스템에만 국한된 것으로 오랫동안 여겨져 왔던 동기 부여 행동에 대한 BG의 영향이 입증되었습니다(Kravitz and Kreitzer, 2012; Kravitz et al., 2012).

적절한 BG 기능의 중요성은

SNc 도파민(DA) 뉴런이 퇴화하여

운동 기능 장애에서 인지 장애에 이르는

다양한 무력화 증상을 유발하는 파킨슨병(PD)과 같은

BG 관련 병리의 임상 증거에서 강조됩니다(Hornykiewicz,1975a,b).

Figure 1

Figure 1. Recent developments in Basal Ganglia (BG) circuit organization. This figure aims at highlighting the increased knowledge collected in the last years in the network organization of the BG with the Delong model proposed in the late 90’s as a starting point. (A) Schematic representing the Delong rate model of BG organization where activation of the direct (full line) and indirect (dotted line) pathways has opposing effects onto the thalamo-cortical loop. In the direct pathway, dMSNs inhibit the output structures (SNr/GPi), sending a GO motor signal; conversely the iMSNs disinhibit the subthalamic nucleus (STN) via the inhibition of the GPe, ultimately providing a NO GO motor signal. (B) Simplified representation of the connectivity between BG nuclei, showing some of the recently described synaptic contacts (reported in the current review as examples of the advances made in the field), as revealed by monosynaptic rabies anatomical mapping and/or optogenetic and electrophysiological dissection. Green and red connection lines represent the direct inputs and outputs to SNc and VTA, highlighting the parallel between motor and motivation/reward related circuits, respectively.

그림 1. 기저핵(BG) 회로 구성의 최근 발전. 이 그림은 90년대 후반에 제안된 Delong 모델을 출발점으로 하여 지난 몇 년간 BG의 네트워크 조직에 대해 수집된 지식의 증가를 강조하는 것을 목표로 합니다. (A) 직접 경로(실선)와 간접 경로(점선)의 활성화가 탈라모-피질 루프에 상반된 영향을 미치는 BG 조직의 Delong 속도 모델을 나타내는 모식도. 직접 경로에서 dMSN은 출력 구조(SNr/GPi)를 억제하여 GO 모터 신호를 보내고, 반대로 iMSN은 GPe의 억제를 통해 시상하핵(STN)을 억제하여 궁극적으로 NO GO 모터 신호를 제공합니다. (B) 단일 시냅스 해부학적 매핑 및/또는 광유전학적 및 전기생리학적 해부를 통해 밝혀진, 최근에 설명된 시냅스 접촉(본 리뷰에서 이 분야의 발전의 예로 보고됨) 중 일부를 보여주는 BG 핵 간의 연결성을 단순화한 표현입니다. 녹색과 빨간색 연결선은 각각 운동과 동기/보상 관련 회로 사이의 병렬을 강조하는 SNc와 VTA에 대한 직접 입력과 출력을 나타냅니다.

DS, Dorsal striatum; NAc, nucleus accumbens; dMSN, direct pathway medium size spiny neurons; iMSN, indirect pathway medium size spiny neurons; GPe, Globus Pallidus external; GPi, Globus Pallidus internal segment; STN, subthalamic nucleus; SNr, Substantia Nigra pars Reticulata; SNc Substantia Nigra pars Compacta; mPFC, medial prefrontal cortex; M1, primary motor cortex; LH, lateral hypothalamus; PF, parafascicular thalamus; RT, reticular thalamus; VL, ventro-lateral thalamus; LDT, latero-dorsal thalamus; LHb, lateral habenula; DR, dorsal raphe; PPN, Pedunculopontine Nucleus; VTA, ventral tegmental area.

The main theory describing the anatomical organization of BG nuclei or the so-called rate model (DeLong, 1990) is based on a series of clinical observations diagnosing specific brain lesions, experimental and post mortem human anatomy as well as neurochemical analyses. This model describes two parallel circuits, the direct and indirect pathways, both being modulated by SNc DA. Activation of the direct pathway is motor-permissive (GO), conversely, activation of the indirect pathway has motor-suppressive (NO GO) effects (Figure 1A). This anatomical model is supported at the molecular level by the well described DA neuromodulation and signaling cascades involved, particularly the opposing effects of DA onto direct and indirect medium size spiny neurons (MSNs; dMSNs, iMSNs; respectively). For an in-depth description of the BG anatomy we suggest the following reviews (Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; DeLong, 1990).

BG 핵의 해부학적 조직을 설명하는 주요 이론 또는 소위 속도 모델(DeLong, 1990)은 특정 뇌 병변을 진단하는 일련의 임상 관찰, 실험 및 사후 인체 해부학, 신경화학 분석에 기반합니다. 이 모델은 직접 경로와 간접 경로라는 두 개의 병렬 회로를 설명하며, 두 경로 모두 SNc DA에 의해 변조됩니다. 직접 경로의 활성화는 운동 허용(GO) 효과이며, 반대로 간접 경로의 활성화는 운동 억제(NO GO) 효과가 있습니다(그림 1A). 이 해부학적 모델은 분자 수준에서 잘 설명된 DA 신경조절 및 신호 캐스케이드, 특히 DA가 직접 및 간접 중간 크기 가시 뉴런(MSN; 각각 dMSN, iMSN)에 미치는 상반된 효과에 의해 뒷받침됩니다. BG 해부학에 대한 자세한 설명은 다음 리뷰를 참고하시기 바랍니다(Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; DeLong, 1990).

Latest Anatomical Observations

The emergence of novel tools like circuit-based optogenetic manipulations, in vivo single cell calcium imaging and monosynaptic retrograde mapping (Boyden et al., 2005; Watabe-Uchida et al., 2012; Cui et al., 2013) that allow the probing of behavioral functions with a much higher degree of specificity (Emiliani et al., 2015; Whissell et al., 2016), has yielded in the past decade, a number of observations that on one hand confirmed the principle of the GO vs. NO-GO hypothesis (Kravitz et al., 2010) but also further depict the complexity of the BG function and organization, ultimately augmenting the original rate model. Without going into the details of all the recent advances in the BG field, here we provide a few representative examples (Figure 1B).

A very recent single cell transcriptional study has revealed the existence of unreported pathways, namely entopenduncular parvalbumin (EP-PV) cells projecting to the lateral habenula (LHb) and the motor thalamus whereas EP-SOM (somatostatin) cells projecting exclusively to the LHb (Wallace et al., 2017).

Several routes of cortical information flow via indirect pathways have now been identified. In addition to the inhibition of the STN (Mallet et al., 2012), the GPe also has inhibitory control over the GPi (Smith et al., 1998), the reticular thalamic nucleus (RT; Smith et al., 1998) and directly the SNr (Saunders et al., 2016).

There is evidence of a high degree of reciprocal connectivity between indirect pathway BG nuclei (GPe, STN, GPi, SN; Smith et al., 1998; Mallet et al., 2012; Saunders et al., 2016) some of which provide direct feedback outputs to cortical regions (Saunders et al., 2015). The identification of synaptic connectivity between two brain nuclei however, does not necessarily lead to trivial consequences at the functional level. This is very well exemplified by the lack of synchronous firing of the GPe and the STN despite their robust connectivity (Baufreton et al., 2009). These novel connections should therefore be also functionally probed.

In relation with the activity of direct and indirect pathways, several studies have identified the presence of lateral inhibitory projections, particularly showing how there is not only D1-D1 and D2-D2 inhibition, but also reciprocal inhibition with the indirect onto direct (D2-D1) being much stronger (Taverna et al., 2008). These reciprocal connections are also differentially modulated by DA itself (Tecuapetla et al., 2009). An interesting yet undetermined aspect regarding these observations is the importance of these mutual inhibitory connections for proper motor behavior. Whether a further level of DA modulation at these sites, going beyond the canonical striatal DA modulation is necessary and to what extent, and if the loss of such modulation would lead to motor impairments is still unexplored territory.

최신 해부학적 관찰
회로 기반 광유전학 조작, 생체 내 단일 세포 칼슘 이미징 및 단 시냅스 역행 매핑 (Boyden et al., 2005; Watabe-Uchida et al., 2012; Cui et al., 2013)과 같은 새로운 도구의 출현으로 훨씬 높은 수준의 특이성으로 행동 기능을 조사 할 수있게되었습니다 (Emiliani et al., 2015; Whissell et al., 2016)는 지난 10년 동안 한편으로는 GO 대 NO-GO 가설의 원리를 확인하는 한편, BG 기능과 조직의 복잡성을 더욱 잘 묘사하여 궁극적으로 원래의 비율 모델을 보강하는 많은 관찰 결과를 도출했습니다(Kravitz et al., 2010). 최근 BG 분야에서 이루어진 모든 진전을 자세히 설명하지 않고 몇 가지 대표적인 예만 소개합니다(그림 1B).
최근 단일 세포 전사 연구를 통해 보고되지 않은 경로, 즉 외측 하베눌라(LHb)와 운동 시상으로 돌출되는 EP-PV(엔토펜두큘러 파발부민) 세포와 LHb에만 돌출되는 EP-SOM(소마토스타틴) 세포의 존재가 밝혀졌습니다(Wallace et al., 2017).
현재 간접 경로를 통한 피질 정보 흐름의 여러 경로가 확인되었습니다. STN(Mallet et al., 2012)의 억제 외에도 GPe는 GPi(Smith et al., 1998), 망상 시상핵(RT; Smith et al., 1998) 및 직접적으로 SNr(Saunders et al., 2016)에 대한 억제 조절 기능도 가지고 있습니다.

간접 경로 BG 핵(GPe, STN, GPi, SN; Smith et al., 1998; Mallet et al., 2012; Saunders et al., 2016) 사이에 높은 수준의 상호 연결성이 있으며, 그 중 일부는 피질 영역에 직접 피드백 출력을 제공합니다(Saunders et al., 2015). 그러나 두 뇌핵 사이의 시냅스 연결성을 확인한다고 해서 기능적 수준에서 반드시 사소한 결과로 이어지는 것은 아닙니다. 이는 GPe와 STN의 강력한 연결성에도 불구하고 동기 발화가 일어나지 않는 것에서 잘 드러납니다(Baufreton et al., 2009). 따라서 이러한 새로운 연결은 기능적으로도 조사되어야 합니다.

직접 및 간접 경로의 활동과 관련하여 여러 연구에서 측면 억제 돌기의 존재를 확인했으며, 특히 D1-D1 및 D2-D2 억제뿐만 아니라 간접에서 직접으로(D2-D1) 훨씬 더 강한 상호 억제도 있음을 보여주었습니다(Taverna et al., 2008). 이러한 상호 연결은 DA 자체에 의해서도 차등적으로 변조됩니다(Tecuapetla et al., 2009). 이러한 관찰과 관련하여 흥미롭지만 아직 밝혀지지 않은 측면은 적절한 운동 행동을 위한 이러한 상호 억제 연결의 중요성입니다. 이러한 부위에서 표준 선조체 DA 변조를 넘어서는 더 높은 수준의 DA 변조가 필요한지 여부와 그 정도, 그리고 그러한 변조의 손실이 운동 장애로 이어질지 여부는 아직 미개척 영역입니다.

Latest Behavioral Observations

In addition to pure anatomical progress, there has also been a correlative increase in the knowledge at the functional level. Only few studies combine the investigation of anatomical circuitry and their impact on behavior. Lately a novel pathway linking BG nuclei to non-BG nuclei has been described and reported to process outcome eval‎uation. Specifically, habenular projecting Globus Pallidus neurons integrate bidirectionally reward and punishment expectation-related information (Stephenson-Jones et al., 2016).

In vivo calcium imaging in awake behaving mice has tremendously helped refining our knowledge. Action selection relies on the fact that both direct and indirect pathways are co-active and collaborate, with one promoting an action while the other one suppresses competing actions (Fan et al., 2012; Cui et al., 2013; Freeze et al., 2013; Isomura et al., 2013; Jin et al., 2014; Tecuapetla et al., 2016).

Additional evidence regarding the behavioral function of the BG has emerged from the pathology domain. Some clinical observations support the rate model yet others highlight its limitations. For example, STN deep brain stimulation improves motor behavior in PD patients (Fasano et al., 2012), and GPi unilateral pallidotomy improves cardinal motor signs, including tremor, rigidity, bradykinesia (Vitek et al., 2003), reason why both nuclei are thought to be hyperactive in PD. Apomorphine (non-selective DA receptors agonist) however, decreases the firing rate of the GPi but not the STN (Bergman et al., 1990; Aziz et al., 1991; Lang et al., 1997; Levy et al., 2001), despite the presence of DA receptors in both regions (Sun et al., 2012; Galvan et al., 2014). Alternative and yet to be characterized mechanisms must therefore be involved, that allow a BG modulation of motor function at a higher-level bypassing direct molecular interactions.

We believe that a better knowledge of the circuitry and its dynamics in physiological and the direct comparison to pathological conditions will provide hints to understand the reported discrepancies but most of all help with the design of better targeted treatments. Although there are several debilitating BG-related diseases, here we will only take into account PD, considering that the basic principles discussed would also apply to other pathologies.

The cause of PD is still unknown but the loss of neuromodulation correlates with motor and cognitive symptoms. So far, extensive work has been dedicated to the investigation of different aspects of the disease such as the Lewy body lesions and alpha-synuclein aggregation (Schirinzi et al., 2016), as well as genetic factors (Tanner and Aston, 2000). We propose that yet another aspect could prove instrumental in designing effective therapies, and that is a circuit-based approach.

This review is not an exhaustive overview of literature, it rather aims at highlighting some of the remaining open questions about BG in physiology and pathology, with a focus on DA and Acetylcholine (ACh) neuromodulation, following three main stand points:

- Heterogeneity of midbrain DA neurons.

- Pairing of DA sub-circuits.

- Dopamine-ACh interaction.

최신 행동 관찰
순수한 해부학적 발전 외에도 기능적 수준에서의 지식도 상관적으로 증가했습니다. 해부학적 회로에 대한 조사와 행동에 미치는 영향을 결합한 연구는 거의 없습니다. 최근에는 BG 핵과 비 BG 핵을 연결하는 새로운 경로가 설명되고 결과 평가를 처리하는 것으로 보고되었습니다. 특히, 해마 돌출 글로부스 팔리두스 뉴런은 보상과 처벌 기대 관련 정보를 양방향으로 통합합니다(Stephenson-Jones 외., 2016).

깨어 있는 생쥐의 생체내 칼슘 이미징은 우리의 지식을 구체화하는 데 큰 도움이 되었습니다. 행동 선택은 직접 경로와 간접 경로가 상호 작용하고 협력하며, 한 쪽은 행동을 촉진하고 다른 쪽은 경쟁 행동을 억제한다는 사실에 의존합니다(Fan et al., 2012; Cui et al., 2013; Freeze et al., 2013; Isomura et al., 2013; Jin et al., 2014; Tecuapetla et al., 2016).
BG의 행동 기능에 관한 추가 증거는 병리학 영역에서 나왔습니다. 일부 임상 관찰은 속도 모델을 뒷받침하는 반면, 다른 임상 관찰은 속도 모델의 한계를 강조합니다. 예를 들어, STN 심부 뇌자극은 PD 환자의 운동 행동을 개선하고(파사노 등, 2012), GPi 일측 구개절제술은 떨림, 경직, 서동증을 포함한 기본 운동 징후를 개선하며(비텍 등, 2003), 이는 두 핵이 PD에서 과활성인 것으로 생각되는 이유입니다. 그러나 아포모르핀(비선택적 DA 수용체 작용제)은 두 영역 모두에 DA 수용체가 존재함에도 불구하고 GPi의 발화 속도를 감소시키지만 STN은 그렇지 않습니다(Bergman et al., 1990; Aziz et al., 1991; Lang et al., 1997; Levy et al., 2001;Sun et al., 2012; Galvan et al., 2014). 따라서 직접적인 분자 상호작용을 우회하여 더 높은 수준에서 운동 기능을 조절할 수 있는, 아직 규명되지 않은 다른 메커니즘이 관여해야 합니다.

생리적 회로와 그 역학에 대한 더 나은 지식과 병리학적 상태와의 직접적인 비교는 보고된 불일치를 이해하는 데 힌트를 제공하지만 무엇보다도 더 나은 표적 치료법을 설계하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다. 여러 가지 쇠약성 BG 관련 질환이 있지만, 여기서는 논의된 기본 원칙이 다른 병리에도 적용될 수 있다는 점을 고려하여 PD만 고려할 것입니다.
파킨슨병의 원인은 아직 밝혀지지 않았지만 신경조절 기능의 상실은 운동 및 인지 증상과 관련이 있습니다. 지금까지 루이소체 병변 및 알파-시누클레인 응집과 같은 질병의 다양한 측면과 유전적 요인(Tanner and Aston, 2000)을 조사하기 위해 광범위한 연구가 진행되어 왔습니다(Schirinzi et al., 2016). 우리는 효과적인 치료법을 설계하는 데 도움이 될 수 있는 또 다른 측면, 즉 회로 기반 접근법을 제안합니다.

이 리뷰는 문헌에 대한 전면적인 개요가 아니라 생리학 및 병리학에서 뇌중추에 대한 미해결 의문 중 일부를 강조하기 위한 것으로, DA와 아세틸콜린(ACh) 신경조절에 중점을 두고 다음 세 가지 주요 관점을 따릅니다:

- 중뇌 DA 뉴런의 이질성.
- DA 하위 회로의 페어링.
- 도파민-ACh 상호 작용.

Molecular Signaling of Dopamine and Acetylcholine

DA and ACh are the two main neuromodulators fine tuning the activity of BG nuclei. The most striking argument in support of a critical role of DA and ACh in the BG comes from pathological conditions. At the diagnostic time point of PD, at least 70% of SNc DA neurons have degenerated, consequently, motor dysfunctions manifest (Hornykiewicz, 1975b). Concomitantly, and as demonstrated with post-mortem human brain histology, choline acetyltransferase (ChAT) expressing neurons also degenerate (Nakano and Hirano, 1984; Braak et al., 2004). Both the cell death and the reduction in cholinergic markers correlate strongly with a decline in cognitive abilities assessed through performance tests in PD patients (Perry et al., 1985). For this reason, current therapies target both the DA and ACh modulatory systems. Rivastigmine, a cholinesterase inhibitor has proven effective in ameliorating the cognitive dysfunction (van Laar et al., 2010).

To understand how DA and ACh play such an important role in the BG physiology and dynamics, a first approach has yielded the molecular characterization of which receptors they activate and what intracellular signaling cascades are engaged to impact neuronal activity (Figure 2). DA receptors are G-protein-coupled receptors (GPCRs; Kebabian and Calne, 1979) that trigger two opposing signaling cascades depending on the G-protein they activate. The D1 and D5 receptors, members of the D1-like family of DA receptors are coupled to Gsα/Golf, which activates adenylyl cyclase (AC), increasing the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Conversely D2, D3 and D4 receptors, part of the D2-like family, are coupled to Giα, which inhibits the AC and therefore blocks the production of cAMP (Surmeier et al., 2007). Elevated levels of cAMP facilitate the activation of protein kinase A (PKA) which in turn, among other targets, phosphorylates DARPP32 (Blank et al., 1997; commonly used as a biochemical marker to identify MSNs; Fienberg et al., 1998), ERK and CREB, permitting the transcription of immediate early genes (IEG) and also phosphorylates NMDA receptor subunits (Hallett et al., 2006) to allow Ca2+ influx and hence, increase neuronal excitability (Carter and Sabatini, 2004). Lower levels of cAMP eventually lead to reduced DARPP32 activation and IEG transcription and decreased neuronal firing rate due to reduced Na+ currents (Schiffmann et al., 1995) and an enhanced K+ conductance (Pacheco-Cano et al., 1996). Through this molecular signaling cascade, DA amplifies or reduces the strength of glutamatergic synaptic drive coming from the Cortex/Thalamus, favoring the activity of dMSNs and decreasing that of iMSNs (Nicola et al., 2000).

도파민과 아세틸콜린의 분자 신호 전달

DA와 ACh는 BG 핵의 활동을 미세 조정하는

두 가지 주요 신경 조절 물질입니다.

BG에서 DA와 ACh의 중요한 역할을 뒷받침하는

가장 놀라운 주장은

병리학적인 조건에서 비롯됩니다.

파킨슨병 진단 시점에

적어도 70%의 SNc DA 뉴런이 퇴화되어

결과적으로 운동 기능 장애가 나타납니다(Hornykiewicz, 1975b).

이와 동시에, 그리고

사후 인간 뇌 조직학에서 입증된 바와 같이,

콜린 아세틸 트랜스퍼라제(ChAT) 발현 뉴런도 퇴화합니다(Nakano and Hirano, 1984; Braak et al., 2004).

세포 사멸과 콜린성 마커의 감소는

모두 PD 환자의 수행 테스트를 통해 평가된

인지 능력의 저하와 밀접한 관련이 있습니다(Perry et al., 1985).

이러한 이유로 현재 치료법은

DA 및 ACh 조절 시스템을 모두 표적으로 합니다.

콜린에스테라아제 억제제인 리바스티그민은

인지 기능 장애를 개선하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다(van Laar et al., 2010).

DA와 ACh가 BG 생리와 역학에서

어떻게 중요한 역할을 하는지를 이해하기 위해

먼저 어떤 수용체를 활성화하고

어떤 세포 내 신호 캐스케이드가 관여하여

신경세포 활동에 영향을 미치는지 분자적으로 특성화했습니다(그림 2).

DA 수용체는 활성화하는 G 단백질에 따라 두 개의 상반된 신호 캐스케이드를 촉발하는 G 단백질 결합 수용체(GPCR; Kebabian and Calne, 1979)입니다. D1 유사 DA 수용체 계열의 구성원인 D1 및 D5 수용체는 아데닐릴 시클라제(AC)를 활성화하는 Gsα/Golf와 결합하여 두 번째 전달자인 사이클릭 아데노신 모노포스페이트(cAMP)의 세포 내 농도를 증가시킵니다. 반대로 D2 유사 계열의 일부인 D2, D3 및 D4 수용체는 Giα와 결합하여 AC를 억제하고 따라서 cAMP의 생성을 차단합니다(Surmeier et al., 2007). 높은 수준의 cAMP는 단백질 키나아제 A(PKA)의 활성화를 촉진하고, 이는 다른 표적 중에서도 DARPP32를 인산화합니다(Blank et al., 1997; 일반적으로 MSN을 식별하는 생화학적 마커로 사용됨; Fienberg et al, 1998), ERK 및 CREB를 인산화하여 즉각적인 초기 유전자(IEG)의 전사를 허용하고 NMDA 수용체 서브유닛을 인산화하여(Hallett et al., 2006) Ca2+ 유입을 허용하여 신경세포 흥분성을 증가시킵니다(Carter and Sabatini, 2004). 낮은 수준의 cAMP는 결국 DARPP32 활성화와 IEG 전사를 감소시키고 Na+ 전류 감소(Schiffmann 등, 1995)와 K+ 전도도 증가(Pacheco-Cano 등, 1996)로 인한 신경세포 발화 속도 감소로 이어집니다. 이러한 분자 신호 캐스케이드를 통해 DA는 피질/시상에서 나오는 글루타메이트 시냅스 드라이브의 강도를 증폭하거나 감소시켜 dMSN의 활동을 선호하고 iMSN의 활동을 감소시킵니다(Nicola et al., 2000).

Figure 2

Figure 2. Neuromodulation of MSNs.

Schematic representing the convergence of dopamine (DA) and ACh modulation on excitatory inputs onto a dMSN in the dorsal striatum (DS). DA terminals modulate excitatory neurotransmission forming synapses onto the neck of MSN spines; through two molecular mechanisms involving DA and the co-released GABA. These DAergic input is modulated by presynaptic nAChRs and this cholinergic control can itself be fine-tuned via the presence of presynaptic D2Rs. Activation of D1Rs, that are coupled to the Gαs protein, leads to the production of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) via the adenylate cyclase (AC). This promotes the protein kinase A (PKA) function, which phosphorylates DARPP32, indirectly driving an increase in neuronal excitability via the activation of Ca2+ channels and NMDA receptors as well as the inhibition of K+ channels.

ACh on the other hand, binds ionotropic or ligand gated nicotinic (nACh) channels and metabotropic muscarinic GPCRs. Both types exhibit different isoforms with specific cellular and sub-cellular locations. The nACh receptors are pentamers of 3α and 2β (3 and 9 neuronal isoforms, respectively) subunits. The striatal receptors are composed of the α4, α6, α7 and β2, β3 subunits (Wada et al., 1989). Those channels are mainly expressed at presynaptic glutamatergic terminals and once activated increase the Ca2+ and Na+ influxes contributing to further depolarizing these terminals, enhancing the release of neurotransmitters and neuromodulators. The muscarinic receptors are classified into two groups the M1-like (M1, M3 and M5) coupled to Gq and the M2-like (M2 and M4) coupled to Gi/o. Post-synaptically, activation of the M1-like receptors triggers the phospholipase C to increase the levels of IP3 leading to the release of Ca2+ from internal stores, which in turn can activate the transcription of various IEGs, and eventually increase neuronal excitability (Narushima et al., 2007; Kreitzer, 2009). Similarly, to the D2-like receptors, activation of the M2-like receptors inhibits the AC signaling cascade ultimately dampening neuronal excitability (Calabresi et al., 1998).

The sub-cellular location of DA and ACh receptors is critical to ensure fine and adequate tuning of the synaptic transmission (Figure 2). For example, most MSNs are simultaneously contacted by a dopaminergic and a glutamatergic input, forming the so-called triad, where DA terminal fibers form symmetric synapses on the neck of the dendritic spines whereas glutamatergic afferents contact the head of the spine and form asymmetric synapses (Smith et al., 1994). This triad architecture is proposed to function as a hetero-synaptic coincidence detector by which DA selectively influences the convergence of glutamate at individual spines (Yao et al., 2008).

Heterogeneous Properties of Midbrain Dopaminergic Cells

The DA neuronal population has revealed heterogeneous in many aspects. The most striking evidence likely comes once more from the clinical observation that motor manifestations are primarily linked to the selective loss of DA neurons in the SNc (Brichta and Greengard, 2014), whereas the very similar DA neurons in the VTA demonstrate a higher degree of resistance to degeneration (Dauer and Przedborski, 2003) and don’t carry motor specific impairments. An intriguing question is the extent of the difference between the SNc and the VTA DA cells, and the underlying neurobiological substrates. It has been proposed that the vulnerability to degeneration could lie in the genetic or molecular profile of each cell group. Although comparative analyses showed that only less than 3% of the gene expression‎ pattern is different (Grimm et al., 2004), a number of studies reported potentially interesting differences. Functional analysis showed more transcripts of metabolism, mitochondrial machinery, lipid vesicle mediated transport and kinase/phosphatase signaling in the SNc compared to VTA DA neurons (Chung et al., 2005; Greene et al., 2010), whereas a higher number of transcripts for proteins involved in synaptic plasticity, cell survival and migration are found in the VTA as compared to the SNc (Grimm et al., 2004). In terms of markers implicated in cell firing, an example of discrepancy is the potassium channel GIRK2 protein and mRNA levels, being less abundant in the VTA than in the SNc (Chung et al., 2005; Eulitz et al., 2007; Fu et al., 2012). Conversely, the Calbindin (CB) protein and mRNA levels are less abundant in SNc than VTA (Chung et al., 2005; Greene et al., 2010). Furthermore, core molecules that define a DA phenotype such as the dopamine transporter (DAT) and vesicular monoamine transporter type-2 (VMAT2) show variability in their expression‎ levels (Sanghera et al., 1994; González-Hernández et al., 2004). Although it is not clear which of the SNc or the VTA neurons express more of these two markers due to discrepancies from different studies (Liang et al., 2004; Reyes et al., 2013), it is acknowledged that the levels are different. A thorough and comprehensive characterization of the distribution of these markers would provide a great tool for the investigation of midbrain DA neurons.

Extensive work has shed light onto the differences in the genomic and proteomic expression‎ patterns of SNc and VTA DA neurons (Brichta and Greengard, 2014; Veenvliet and Smidt, 2014; Anderegg et al., 2015), however only few studies have correlated them with specific electrophysiological properties. CB correlates with specific electrophysiological properties mediated by hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels (Neuhoff et al., 2002) and an inverse correlation was reported with the probability of vesicle exocytosis (Pan and Ryan, 2012).

It is still not known if these differences are responsible for any protective or harmful effects towards degeneration. As for any other differences reported so far, we still lack enough compelling evidence, for example, to understand whether the high CB expression‎ in VTA DA cells has a causal role in their resilience to PD induced degeneration. In addition, no clear correlation has been made to validate such proteins as early detection markers for PD.

DA neuronal signaling has recently become even more complex with the demonstration that some VTA cells have the ability to co-release different neurotransmitters. It has been reported that a subset of these neurons express tyrosine hydroxylase (TH) and do not project to the ventral striatum (VS) but to the LHb (Stamatakis et al., 2013). Furthermore, some VTA DA neurons can co-release glutamate at the level of the VS. This has been confirmed both in vitro (Sulzer et al., 1998; Joyce and Rayport, 2000; Dal Bo et al., 2004; Stuber et al., 2010) and in vivo (Chuhma et al., 2004; Hnasko et al., 2010).

Considering that DA can be released unaccompanied or co-released with different neurotransmitters, the functional/behavioral implication of each neurotransmission modality is unknown. Similarly, GABA and glutamate neurons projecting to DA innervated regions have been identified in the VTA. The impact of the co-released GABA or glutamate vs. their pure counterparts is also unanswered. Unless otherwise proven developmental left-overs are a possibility and would be responsible for the co-released forms. Another hypothesis postulates that it provides the temporal specificity required for reward prediction and/or incentive salience (Lapish et al., 2006, 2007). Mice lacking vglut2 in DA neurons show deficits in psychostimulant-induced locomotion, providing some evidence that the ability of midbrain DA neurons to co-release different neurotransmitters is crucial in some specific cases at the behavioral level. Another hypothesis is that the presence of main neurotransmitters in DA cells aids in the vesicular packaging of DA itself, boosting the strength of DA modulation (Hnasko et al., 2010; Wallén-Mackenzie et al., 2010).

Molecular heterogeneity in the form of the specific channel expression‎ can lead to significant functional differences. Adult SNc DA neurons rely on L-type voltage gated Ca2+ channels Cav1.3 for pace making, whereas VTA DA neurons use voltage-dependent Na+ channels (Chan et al., 2007). Further studies have investigated differences within the VTA populations converging anatomical, electrophysiological, and molecular properties (Lammel et al., 2014; Anderegg et al., 2015). A subset of DA cells exhibits unconventional fast-firing properties and low DAT/TH and DAT/VMAT2 mRNA expression‎ ratios, and selectively projects to prefrontal cortex. These cells lack the functional somatodendritic Girk2-coupled D2 autoreceptors. In contrast, conventional slow-firing DA neurons only project to the lateral shell of the nucleus accumbens (Nac), they express higher DAT/TH and DAT/VMAT2 mRNA expression‎ ratios as well as D2 autoreceptors (Lammel et al., 2008).

The cells lacking the D2 autoreceptors were difficult to classify, they are considered as DA insensitive DA neurons (Margolis et al., 2006; Lammel et al., 2008). Even though the controversy is still not clearly resolved, a recent study using TH-GFP transgenic mice (eGFP under the control of the TH promoter) may provide some clarifications (Krashia et al., 2017). Combining electrophysiological recordings with DA pharmacological application, it was shown that TH-GFP positive cells exhibit different properties (cell body size, firing frequency, Ih current, sensitivity to DA, cocaine and Met-enkephalin). Such variability is correlated with the cell location within a medio-lateral axis. For example, and more specifically; the vast majority of SNc (98%) and VTA (92%) TH-GFP positive cells are inhibited by DA, with VTA medial cells exhibiting the lowest sensitivity. The latter population could identify with the D2-lacking mesocortical subtype reported in Lammel et al. (2008).

Another example of functional heterogeneity in VTA DA neurons highlighted two subpopulations that while exhibiting no hyperpolarizing currents (Ih), respond differentially to rewarding vs. aversive stimuli. Medial shell projecting neurons show an increased AMPA/NMDA ratio in response to cocaine, whereas medial prefrontal cortex (mPFC) projecting cells go through this adaptation but in response to an aversive stimulus (hindpaw formalin injection). As a counterpart out of the Ih positive cells, the lateral shell projecting neurons respond to both types of stimuli, whereas nigrostriatal cells are insensitive to both (Lammel et al., 2011).

From a circuit point of view, it was shown that the LDT-VTA-Nac sub-circuit drives place preference, in contrast, the Lhb-VTA-mPFC pathway produces place aversion highlighting once more that neurons within the same midbrain population can have strikingly different properties (Lammel et al., 2012).

The knowledge in DA heterogeneity has been much more investigated in the VTA than in the SNc. However similar concepts can be applied to the SNc DA neurons. Particularly, SNc DA cell functional heterogeneity has been correlated with differences in dendrite architecture and afferent connectivity (Brown et al., 2009; Henny et al., 2012). Furthermore, K+-ATP channels gate bursting activity selectively in medial SNc DA neurons projecting to the dorsomedial striatum (DMS), but not in lateral SNc DA neurons, which project to the dorsolateral striatum (DLS; Schiemann et al., 2012).

Anatomical studies have reported input diversity with GABAergic afferents arising from the striatum, the GP and the SNr (Fujiyama et al., 2002; Boyes and Bolam, 2003), and glutamatergic inputs from the STN and the pedunculopontine nucleus (PPN; Bolam et al., 1991; Chatha et al., 2000). There is also evidence that some SNc DA cells project to BG nuclei other than the striatum (Smith and Kieval‎, 2000; Prensa and Parent, 2001), for example the STN (Cragg et al., 2004). Such heterogeneity in input and output connectivity could imply that just as for the VTA, subsets of SNc DA cells are embedded in different sub-circuits with specific and different relevant roles for behavioral outcomes. Interestingly, during goal-directed actions the DMS is more strongly recruited as opposed to the DLS which is engaged to a lesser extend (Gremel and Costa, 2013). It is tempting to speculate that the same difference in coding properties could be observed at the level of the SNc having subsets of cells recruited during goal-directed vs. habitual actions that would project to DMS and DLS, respectively.

SNc DA cells have also been shown to co-release GABA resulting in the inhibition of dorsal striatal MSNs (Tritsch et al., 2012, 2016). Once more the functional relevance and/or necessity of such co-released GABA is unknown.

An additional level of complexity hinting towards diverse functional roles of DA release encoded at different time scales has been recently reported. Using complementary micro-dialysis and voltametric methods during an adaptive-based decision-making task, it was found that the motivational vigor of an action is encoded within the tonic DA release in the time scale of minutes, whereas acute DA released in the time scale of seconds assigns the value to a reward (Hamid et al., 2016).

Understanding the heterogeneity within the SNc DA neuronal population including their electrophysiogical properties, circuit connectivity and hence behavioral specialization becomes even more relevant and necessary when considering the PD pathology. Placing all these observations of heterogeneous properties in the pathological domain will provide crucial information to identify markers/properties that determine the faith of DA cells once the disease is ongoing, and would provide opportunities for interventions with a diagnostic or therapeutic goal.

Pairing of DA Sub-circuits

DA neurons in the VTA are thought to play important roles in motivation and reward (Ikemoto, 2007) whereas SNc DA neurons are important for sensorimotor function, motor execution and habit formation (Haber, 2003). For an in depth review of such functions, we suggest the following studies Graybiel et al. (1994); Hikosaka et al. (1999); Yin and Knowlton (2006).

In brief, pharmacological studies have shown that the rewarding effects of many addictive drugs are mediated by DA neurons localized in the VTA and projecting to the VS and limbic cortices (i.e., the mesolimbic DA system; Koob, 1992; Robbins and Everitt, 1996). This has been confirmed by optogenetic studies showing that the excitation of VTA DA neurons induces conditioned place preference in mice (Tsai et al., 2009), and rodents are able to learn instrumental responding to excite VTA DA neurons (Adamantidis et al., 2011; Witten et al., 2011; Pascoli et al., 2015). The mesolimbic DA system also plays a role in negative affect. Conditioned place aversion can be induced by DA pharmacology (Shippenberg, 1991) and also with optogenetic inhibition of VTA DA neurons (Stamatakis and Stuber, 2012; Tan et al., 2012).

Once again, the value of SNc DA neurons is reflected by motor dysfunction in PD as reported by DeLong (1990) and the effectiveness of DA pharmacology as a treatment (Connolly and Lang, 2014). In addition to motor deficits, PD patients also suffer a cognitive decline (Wolters and Francot, 1998; Duncan et al., 2014). Congruently, SNc DA cells are considered to be key for focusing attention on significant and rewarding stimuli, a requirement for the acquisition of new learned behaviors (Schultz, 1986; Schultz et al., 1997; Wise, 2009). Recent optogenetic studies have provided strong evidence supporting this theory. Mice learn to self-stimulate SNc DA neurons (Rossi et al., 2013) and it can be as rewarding as VTA DA photo-activation (Ilango et al., 2014). Furthermore, photo-inhibition of both cell types induces a similar aversion (Ilango et al., 2014). This raises the question of the differential impact of SNc vs. VTA DA neurons in modulating behavior, which is further supported by studies reporting both populations acting as reward prediction or teaching signals (Bromberg-Martin et al., 2010; Schultz, 2017; Watabe-Uchida et al., 2017).

Any behavior is the sum of several components that are integrated or synchronized in order to allow the behavior to be generated adequately. This is also true for positive reinforcement where in the simplest of cases, a motor and a reward component play important roles. How is such integration happening? In other words, how does DA from the SNc and from the VTA collaborate to shape reinforcement? We hypothesize three scenarios:

1. DA must be released by both cell types at the appropriate targets within a very short time window to synchronize the activity of the circuits responsible for the behavioral sub-components. This would imply that the linking factor is located upstream of the VTA and the SNc DA cells (Figure 3A), and simultaneously recruits them. Anatomical mapping approaches have revealed common inputs such as the GP, DS, lateral hypothalamus (LH), dorsal raphe (DR) or PPN (Watabe-Uchida et al., 2012). Recent studies complement this approach by mapping monosynaptic inputs to subpopulations of DA neurons that project to specific brain areas (Beier et al., 2015; Lerner et al., 2015; Menegas et al., 2015). Even when DA-projection targets are specified, there is still monosynaptic inputs to SNc and VTA from numerous brain areas, some of which are overlapping (Ogawa et al., 2014). Such an overlap at the input level, favors the hypothesis that integration of VTA and SNc DA signal happens upstream via these common regions. We speculate that when these inputs are activated in response to external cues/stimuli, they synchronize the release of SNc and VTA DA at different targets, hence recruiting different yet specific pathways to engage both motor and reward programs for the execution of a reinforcement task.

2. Mutual local recruitment of VTA and SNc DA neurons would provide a second alternative. It is possible that there is local connectivity between midbrain DA cells and independently from inputs and outputs the activation of one population would induce the modulation of the other (Figure 3B), although local synaptic connectivity between DA neurons has not been experimentally demonstrated. Along this line of thought, the co-released glutamate could act as an activator of neighboring DA cells. Once a reward signal is processed at the level of the VTA, it would then automatically recruit the neighboring SNc motor component and vice versa. The close proximity of the two structures and technical limitations to study this hypothesis render this topic so far uncharted territory. Paired recordings in vitro could help answering this open question and provide the first evidence investigating DA-DA interactions at the level of the midbrain. A follow up step would need to characterize whether this DA-DA interaction is crucial for the reward-motor pairing during positive reinforcement learning.

3. A third possibility is that the synchronization of rewarding and motor components of reinforcement happens downstream of the SNc and VTA DA neurons (Figure 3C), at the level of their functional output targets. In addition to the expected motor effects, optogenetic self-stimulation of dMSNs in the DMS leads to reinforcement of actions while iMSNs self-stimulation triggers avoidance of actions (Kravitz et al., 2012). This highlights how direct activation of the postsynaptic targets of SNc is sufficient to produce both motor and reward/avoidance phenotypes, supporting the theory of local connectivity mechanisms that aid in the synchronization of the two behavioral sub-components. Furthermore, it was shown that the acquisition and expression‎ of the reinforcement was insensitive to DA pharmacology (Kravitz et al., 2012). These experimental observations support a mechanism of action that recruits specific SNc and VTA sub-circuits downstream and independently from the release of DA.

Figure 3

Figure 3. Pairing of functionally distinct dopaminergic sub-circuits. A salient external stimulus (blue arrow) can activate different pathways depending on the context and valence of the stimulus. We propose 3 different scenarios speculating on how the BG circuitry can be engaged to produce an appropriate and complex (reward and motor-based) behavioral response. (A) Upstream pairing scenario with a common input (e.g., GP) recruiting both VTA and SNc DA populations. When such a common input is activated, it synchronizes the DA release of VTA and SNc at their specific targets (mPFC and DS, respectively), hence recruiting these complementary pathways to engage both reward and motor programs for the execution of a task. (B) Local pairing via a so far unreported direct DA-DA interaction where the activation of one DA neuronal population induces the modulation of the other, hence engaging both complementary output pathways (mPFC and DS) to produce an elaborated behavioral outcome. (C) Downstream pairing scenario with mutual recruitment of output regions independently of the DA source. For example, the activation of VTA DA cells engages its specific output target (the mPFC) which itself activates the SNc DA neurons’ target (DS) independently of the release of DA from the SNc cells. Blue shading highlights the recruited regions for each scenario. Orange dotted shapes represent the location where the pairing occurs.

Dopamine-Acetylcholine Interaction

SNc and VTA DA are crucial in all motor and reinforcement-related behaviors. Without DA there is no learning. Once more this notion is supported by a series of experimental and clinical observations. In PD, cholinergic markers are significantly reduced. Interestingly, ACh and DA share several characteristics aside from suffering a decrease in PD. Both are critically involved in learning processes, cholinergic interneurons (CINs) of the striatum also undergo firing pattern changes during associative learning as do midbrain DA neurons. Both neuromodulatory systems interact at the level of the SNc, VTA and striatum, and both cell types are able to co-release main neurotransmitters.

In the clinical field, six different stages correlating the anatomical extent of the pathology with the development of the symptoms (Braak et al., 2004) are used to describe the progression of the disease. SNc DA degeneration has been reported to occur only during stage 3, together with the loss of cholinergic neurons in the nucleus basalis of Meynert (Nakano and Hirano, 1984; Braak et al., 2004) and in the PPN (Hirsch et al., 1987). In addition, there is evidence of a concurrent reduction in cortical and striatal cholinergic markers. Both the cell death and the reduction in cholinergic markers are strongly correlated with a decline in cognitive function assessed by memory tests in PD patients (Perry et al., 1985). To contrast the cognitive dysfunction in PD, pharmacologically addressing the loss of cholinergic neurons with a cholinesterase inhibitor such as rivastigmine has proven effective (Emre et al., 2004). Alternatively, counterbalancing the reduced DA influence on striatal cells, by pharmacologically blocking cholinergic receptors improves some motor symptoms such as tremor. Unfortunately, cognitive side effects have been described, particularly affecting learning and memory ability (Little et al., 1998) as well as cognitive flexibility (Van Spaendonck et al., 1993). Such contrast in the effects of ACh mediated therapies raises the possible need of a reinterpretation of clinical data and nicotinic vs. muscarinic receptors may end up being orthogonally affected by these therapies. DA replacement therapy with the DA precursor, L-DOPA, or with DA agonist has been shown to increase the risk of developing cognitive symptoms following a prolonged use (Alty et al., 2009; Brusa et al., 2013). This intricate interaction between both neuromodulatory systems has proven counterproductive for pharmacological therapies where often the amelioration of certain aspects of the disease brings undesired side effects. Better understanding this interaction at a molecular and circuit level will help design novel and more specific approaches that would avoid these undesired side effects.

Although there are other sources of ACh in the BG, we will focus on the two most prominent and better characterized to date, the striatum and the PPN.

Striatal ACh is supplied by an intrinsic neural network of large-sized CINs. They comprise only 1%–2% of the striatal cellular population (Kawaguchi, 1992, 1993). They display two types of rhythmical discharges, tonic and bursting firing. In vivo recording studies surprisingly revealed that CINs do not respond to movement per se (Crutcher and DeLong, 1984a,b). They exhibit a very special pattern of activity with a pause in firing that is acquired in response to sensory stimuli that predict motivationally significant outcomes (positive or negative). This response is lost when this association is extinguished (Kimura et al., 1984; Aosaki et al., 1994; Apicella et al., 1997; Apicella, 2002; Morris et al., 2004). The pause response is hence considered a neural correlate of classical conditioning. DA neurons show similar properties, they are first excited by a reward and if the reward is preceded by an associated salient stimulus they respond to the conditioned stimulus and not any more to the reward itself (Schultz et al., 1997). The pause in the CINs’ tonic firing is temporally correlated to the increase in firing of DA neurons. The response of both neurons encodes the probability of reward: the DA neurons respond to reward mismatch between expectation and outcome, while the cholinergic pause represents the expected timing of presentation reward (Fiorillo et al., 2003; Morris et al., 2004).

The cholinergic response is quite homogeneous; however, it can be preceded by brief increase in firing rate or followed by a rebound excitation. Several studies have provided evidence for intrinsic channel properties being responsible for this flanking excitatory activity (Wilson and Goldberg, 2006). Some studies, on the other hand, report the involvement of cortical (Reynolds and Wickens, 2004) or thalamic inputs in the generation of these phases (Matsumoto et al., 2001). So far, no consensus has been reached to determine whether this peculiar response is generated purely due to intrinsic properties, is network derived, or if both aspects are necessary, particularly for the learning ability the pause represents.

CIN’s bursting and pause responses were shown to be tightly synchronized population-wise (Raz et al., 1996) and such features are crucial for learning mechanisms, specifically for synaptic plasticity. In addition, ACh and DA interact closely as evidenced by a very well cahracterized anatomical and functional distribution. CINs express the D1 and D2-like DA receptors (Wieland et al., 2014), conversely DA nerve terminals express nACh receptors (Zoli et al., 2002; Figure 2). Photostimulation of DA neurons was shown to drive regionally heterogeneous synaptic responses in striatal CINs, including an acute excitation followed by an inhibition in the Nac medial shell (mediated by the co-released glutamate), a pause in the Nac core and the dorsal striatum (DS; both DA dependent; Chuhma et al., 2014). The pause response in the DS was also reported to be partly mediated by GABA (Straub et al., 2014). Conversely, the synchronized activation of CINs (electrical or optical stimulation) and hence an increased ACh level has been shown to induce the release of DA in the striatum as measured by fast-scan cyclic voltammetry (Surmeier and Graybiel, 2012; Threlfell et al., 2012). Such a synchronized CIN activation was also reported to mediate the co-release of GABA from the DA terminals to disynaptically inhibit MSNs (Nelson et al., 2014) highlighting how the dopaminergic and cholinergic systems can have a mutual modulation at the level of the striatum.

The acquisition of motor and cognitive action sequences depends on this intra-striatal DA-ACh balance (Calabresi et al., 2000). Through the interaction with DA, ACh has an integrative and modulatory role in the BG circuitry (Kaneko et al., 2000). During bursting, the increased level of ACh leads to M1 receptor activation which induces long term potentiation (LTP), on the opposite during the pause when ACh levels and M1 receptor activation decreases, long term depression (LTD) is favored (Centonze et al., 1999, 2003; Pisani et al., 2005; Bonsi et al., 2011). Furthermore, the reduced level of ACh leads to a diminished activation of nACh receptors on DA terminals, ultimately disinhibiting DA release (Rice and Cragg, 2004; Zhang and Sulzer, 2004; Cragg, 2006; Exley and Cragg, 2008). Hence, the concomitant drop of ACh and increase of DA facilitates D2 mediated LTD on MSNs. In this context, the pause response, which is concurrent with increased firing of SNc DA cells (Morris et al., 2004), may represent a period of enhanced LTD. Since the pause increases as the association learned by classical conditioning is strengthened (Aosaki et al., 1994), it has been proposed as a mechanism to signal that the association is well learnt, and so, the striatal network should refrain from engaging in any other form of LTP which normally encodes initial phase of learning.

Heterogeneity of CINs has not been reported to the extent that it has for DA. To the best of our knowledge the transcriptome and proteomic content of CINs have not been thoroughly investigated. At the functional level, although the pause pattern has been observed in response to both a reward and a punishment, single CINs seem to be able to encode both rewarding and aversive stimuli (Apicella, 2002).

Another source of ACh, able to modulate BG function has been described, the PPN. This brain region holds cholinergic projecting neurons that in contrast to the striatal CINs, co-release glutamate or GABA. Furthermore, cholinergic PPN neurons modulate DA cells and hence represent another point of DA-ACh interaction. SNc DA cells represent an important output target of PPN ACh neurons (Woolf and Butcher, 1986; Beninato and Spencer, 1987, 1988). A certain degree of heterogeneity has been reported; specifically, the projection onto the lateral SNc DA neurons is mainly excitatory (nicotinic or glutamatergic) and promotes locomotion whereas the medial SNc DA neurons receive mostly cholinergic mediated GABAergic transmission, which inhibits motor activity (Estakhr et al., 2017).

The PPN was also reported as a monosynaptic input of VTA DA neurons in mapping studies (Henderson and Sherriff, 1991; Watabe-Uchida et al., 2012), in fact, ascending ACh PPN projections target DA neurons in the SNc and VTA following a topographical gradient (Mena-Segovia et al., 2008). Optogenetic release of ACh from the PPN was shown to increase the bursting activity of VTA DA neurons. This connection is excitatory and sufficient to increase motor activity (Dautan et al., 2016). The potential involvement of ACh PPN modulation of SNc and VTA DA neurons in reinforcing behavior remains unclear.

ACh PPN neurons also project to the striatum and the synapses formed by the local vs. projecting ACh neurons can be morphologically differentiated (Dautan et al., 2014). The distinct activity of striatal CINs and brainstem ACh projecting-cells during reward-related paradigms may suggest that the two systems play different but complementary roles in the processing of information in the striatum. Towards this line of thought, it was suggested that the release of ACh from CINs is tonic and interrupted by behaviorally relevant events, whereas the release of ACh from the PPN would be phasically increased during salient events (Dautan et al., 2014). The functional relevance of the two distinct sources of ACh in the striatum remains unresolved experimentally. The impact of the co-release neurotransmitters glutamate and GABA is also not clearly eval‎uated, and so far, PPN but not striatal CINs have been shown to degenerate in PD, further highlighting the differential role of these two sources of ACh, and the importance of thoroughly characterizing them in an attempt to find PD predictive markers or features that could be exploited in therapeutic approaches.

The progression of PD related lesions, which was reported to start in the lower brainstem and olfactory bulb, subsequently moving up to the upper brainstem first invading the PPN followed by the midbrain (Braak et al., 2004), represents an important cue to follow. It is interesting to correlate such sequence of degeneration with the circuit-connectivity knowledge recently acquired, specifically PPN neurons projecting to and modulating the midbrain. In other words, even though the cause of the degeneration is still unknown, it is tempting to hypothesize that the spreading of the disease follows functional synaptic networks through mechanisms that still need to be eval‎uated but might be similar to those described in protein misfolding diseases (Pecho-Vrieseling et al., 2014).

도파민-아세틸콜린 상호 작용

SNc와 VTA DA는 모든 운동 및 강화 관련 행동에서 매우 중요합니다. DA가 없으면 학습도 없습니다. 이러한 개념은 일련의 실험 및 임상 관찰을 통해 다시 한 번 뒷받침됩니다.

PD에서는

콜린성 마커가 현저히 감소합니다.

흥미롭게도

ACh와 DA는

PD의 감소를 겪는 것 외에도

몇 가지 특징을 공유합니다.

둘 다 학습 과정에 중요하게 관여하며,

선조체의 콜린성 뉴런(CIN)도 중뇌 DA 뉴런과 마찬가지로

연상 학습 중에 발화 패턴 변화를 겪습니다.

두 신경조절 시스템은

SNc, VTA 및 선조체 수준에서 상호 작용하며

두 세포 유형 모두 주요 신경전달물질을 공동 방출할 수 있습니다.

임상 분야에서는 병리의 해부학적 범위와 증상의 발달을 연관시키는 6가지 단계(Braak et al., 2004)가 질병의 진행을 설명하는 데 사용됩니다. SNc DA 변성은 3단계에서만 발생하는 것으로 보고되었으며, 메이너트 기저핵의 콜린성 뉴런 손실과 함께 (Nakano and Hirano, 1984; Braak et al., 2004) PPN에서 발생합니다 (Hirsch et al., 1987). 또한 피질과 선조체 콜린성 마커가 동시에 감소한다는 증거가 있습니다. 세포 사멸과 콜린성 마커의 감소는 모두 PD 환자의 기억력 검사로 평가한 인지 기능 저하와 밀접한 상관관계가 있습니다(Perry et al., 1985). PD의 인지 기능 장애를 대조하기 위해 리바스티그민과 같은 콜린 에스 테라 제 억제제를 사용하여 콜린성 뉴런의 손실을 약리학적으로 해결하는 것이 효과적임이 입증되었습니다 (Emre et al., 2004). 또는 콜린성 수용체를 약리학적으로 차단하여 선조체 세포에 대한 DA 영향 감소를 상쇄하면 떨림과 같은 일부 운동 증상이 개선됩니다. 안타깝게도 인지적 부작용, 특히 학습 및 기억력(Little et al., 1998)과 인지적 유연성(Van Spaendonck et al., 1993)에 영향을 미치는 인지적 부작용이 설명되었습니다. 이러한 ACh 매개 요법의 효과에 대한 대조는 임상 데이터에 대한 재해석의 필요성을 제기하며, 니코틴 수용체와 무스카린 수용체가 이러한 요법에 의해 직교적으로 영향을 받을 수 있습니다. DA 전구체인 L-DOPA 또는 DA 작용제를 사용한 DA 대체 요법은 장기간 사용 시 인지 증상 발생 위험을 증가시키는 것으로 나타났습니다(Alty et al., 2009; Brusa et al., 2013). 두 신경 조절 시스템 간의 복잡한 상호 작용은 질병의 특정 측면을 개선해도 원치 않는 부작용을 초래하는 약물 요법에서 비생산적인 것으로 입증되었습니다. 분자 및 회로 수준에서 이러한 상호작용을 더 잘 이해하면 이러한 원치 않는 부작용을 피할 수 있는 새롭고 보다 구체적인 접근법을 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

BG에는 ACh의 다른 공급원도 있지만, 현재까지 가장 두드러지고 더 잘 알려진 두 가지, 즉 선조체와 PPN에 초점을 맞출 것입니다.
선조체 ACh는 대형 CIN의 내재적 신경 네트워크에 의해 공급됩니다. 이들은 선조체 세포 집단의 1%~2%에 불과합니다(Kawaguchi, 1992, 1993). 이들은 두 가지 유형의 리드미컬한 방전, 즉 토닉과 버스팅 발화를 나타냅니다. 생체내 기록 연구에 따르면 놀랍게도 CIN은 움직임 자체에 반응하지 않는 것으로 나타났습니다(Crutcher and DeLong, 1984a,b). 이들은 동기적으로 중요한 결과(긍정적 또는 부정적)를 예측하는 감각 자극에 대한 반응으로 획득되는 발화가 일시 정지되는 매우 특별한 활동 패턴을 보입니다. 이 반응은 이러한 연관성이 소멸되면 사라집니다(Kimura 외, 1984; Aosaki 외, 1994; 아피셀라 외, 1997; 아피셀라, 2002; Morris 외, 2004). 따라서 일시 정지 반응은 고전적 조건화의 신경 상관관계로 간주됩니다. DA 뉴런은 유사한 특성을 보이며, 보상에 의해 먼저 흥분하고 보상에 관련된 두드러진 자극이 선행되면 조건 자극에 반응하고 더 이상 보상 자체에는 반응하지 않습니다(Schultz et al., 1997). CIN의 강장 발화의 일시 정지는 DA 뉴런의 발화 증가와 시간적으로 상관관계가 있습니다. 두 뉴런의 반응은 보상의 확률을 암호화합니다: DA 뉴런은 기대와 결과 사이의 보상 불일치에 반응하는 반면, 콜린성 일시 정지는 제시 보상의 예상 시기를 나타냅니다(Fiorillo et al., 2003; Morris et al., 2004).

콜린성 반응은 매우 동질적이지만, 짧은 발화 속도 증가가 선행되거나 반동 흥분이 뒤따를 수 있습니다. 여러 연구에서 내재적 채널 특성이 이러한 측면 흥분 활동을 유발한다는 증거를 제시했습니다(Wilson and Goldberg, 2006). 반면에 일부 연구에서는 이러한 단계의 생성에 피질(Reynolds and Wickens, 2004) 또는 시상 입력이 관여한다고 보고합니다(Matsumoto et al., 2001). 지금까지 이 특이한 반응이 순전히 내재적 특성으로 인해 생성되는 것인지, 네트워크에서 파생된 것인지, 아니면 두 가지 측면이 모두 필요한지, 특히 일시 정지가 나타내는 학습 능력에 필요한 것인지에 대한 합의에 도달하지 못했습니다.

CIN의 파열 및 일시 정지 반응은 집단적으로 긴밀하게 동기화되는 것으로 나타났으며(Raz et al., 1996), 이러한 특징은 학습 메커니즘, 특히 시냅스 가소성에 매우 중요한 역할을 합니다. 또한 ACh와 DA는 매우 잘 특성화된 해부학적 및 기능적 분포에서 알 수 있듯이 밀접하게 상호 작용합니다. CIN은 D1 및 D2 유사 DA 수용체를 발현하고(Wieland et al., 2014), 반대로 DA 신경 말단은 nACh 수용체를 발현합니다(Zoli et al., 2002; 그림 2). DA 뉴런의 광자극은 급성 여기 후 Nac 내측 껍질에서의 억제 (공동 방출 된 글루타메이트에 의해 매개 됨), Nac 코어 및 등 선조체 (DS; 모두 DA 의존적; Chuhma et al., 2014)에서 일시 중지 등 선조체 CIN에서 지역적으로 이질적인 시냅스 반응을 유도하는 것으로 나타났습니다. DS의 일시 정지 반응도 부분적으로 GABA에 의해 매개되는 것으로 보고되었습니다(Straub et al., 2014). 반대로, CIN의 동기화된 활성화(전기적 또는 광학적 자극)와 그에 따른 ACh 수치 증가는 고속 스캔 주기적 전압 측정법으로 측정한 선조체에서 DA의 방출을 유도하는 것으로 나타났습니다(Surmeier and Graybiel, 2012; Threlfell et al., 2012). 이러한 동기화된 CIN 활성화는 또한 DA 단자에서 GABA의 공동 방출을 매개하여 MSN을 시냅스적으로 억제하는 것으로 보고되어(Nelson et al., 2014) 도파민 및 콜린성 시스템이 선조체 수준에서 어떻게 상호 변조를 일으킬 수 있는지를 강조합니다.

운동 및 인지 작용 시퀀스의 획득은 이러한 선조체 내 DA-ACh 균형에 따라 달라집니다(Calabresi et al., 2000). DA와의 상호 작용을 통해 ACh는 BG 회로에서 통합적이고 조절적인 역할을 합니다(Kaneko et al., 2000). 버스팅 동안 ACh 수치가 증가하면 장기 강화(LTP)를 유도하는 M1 수용체 활성화로 이어지고, 반대로 ACh 수치와 M1 수용체 활성화가 감소하면 장기 우울증(LTD)이 선호됩니다(Centonze et al., 1999, 2003; Pisani et al., 2005; Bonsi et al., 2011). 또한, ACh의 수준이 감소하면 DA 단자의 nACh 수용체의 활성화가 감소하여 궁극적으로 DA 방출이 억제됩니다(Rice and Cragg, 2004; Zhang and Sulzer, 2004; Cragg, 2006; Exley and Cragg, 2008). 따라서 ACh의 수반되는 감소와 DA의 증가는 MSN에서 D2 매개 LTD를 촉진합니다. 이러한 맥락에서 SNc DA 세포의 발화 증가와 동시에 나타나는 일시 정지 반응(Morris et al., 2004)은 LTD가 강화되는 시기를 나타낼 수 있습니다. 고전적 조건화에 의해 학습된 연관성이 강화될수록 일시정지가 증가하기 때문에(Aosaki et al., 1994), 이는 연관성이 잘 학습되었음을 알리는 메커니즘으로 제안되었으며, 따라서 선조체 네트워크는 일반적으로 학습의 초기 단계를 인코딩하는 다른 형태의 LTP에 관여하지 않아야 합니다.
CIN의 이질성은 DA의 경우처럼 보고되지 않았습니다. 우리가 아는 한 CIN의 전사체 및 단백질체 구성은 철저하게 조사되지 않았습니다. 기능적 수준에서는 보상과 처벌 모두에 대한 반응으로 일시 정지 패턴이 관찰되었지만, 단일 CIN은 보상 자극과 혐오 자극을 모두 인코딩할 수 있는 것으로 보입니다(Apicella, 2002).

BG 기능을 조절할 수 있는 ACh의 또 다른 원천인 PPN이 설명되었습니다. 이 뇌 영역에는 선조체 CIN과 달리 글루타메이트 또는 GABA를 공동 방출하는 콜린성 돌출 뉴런이 있습니다. 또한 콜린성 PPN 뉴런은 DA 세포를 조절하므로 DA-ACh 상호 작용의 또 다른 지점을 나타냅니다. SNc DA 세포는 PPN ACh 뉴런의 중요한 출력 표적을 나타냅니다(Woolf and Butcher, 1986; Beninato and Spencer, 1987, 1988). 어느 정도의 이질성이보고되었습니다. 특히, 측면 SNc DA 뉴런으로의 투영은 주로 흥분성 (니코틴 또는 글루탐산 성)이며 운동을 촉진하는 반면 내측 SNc DA 뉴런은 대부분 콜린성 매개 GABAergic 전달을 받아 운동 활동을 억제합니다 (Estakhr et al., 2017).

PPN은 또한 매핑 연구에서 VTA DA 뉴런의 단일 시냅스 입력으로 보고되었으며(Henderson and Sherriff, 1991; Watabe-Uchida 등, 2012), 실제로 상승하는 ACh PPN 투영은 지형적 경사를 따라 SNc 및 VTA의 DA 뉴런을 목표로 합니다(Mena-Segovia 등, 2008). PPN에서 ACh의 광유전학적 방출은 VTA DA 뉴런의 파열 활동을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 이 연결은 흥분성이며 운동 활동을 증가시키기에 충분합니다(Dautan et al., 2016). 행동 강화에서 SNc 및 VTA DA 뉴런의 ACh PPN 조절의 잠재적 관여는 아직 불분명합니다.
ACh PPN 뉴런은 또한 선조체로 돌출되며 국소 및 돌출 ACh 뉴런에 의해 형성된 시냅스는 형태 학적으로 분화 될 수 있습니다 (Dautan et al., 2014). 보상 관련 패러다임 동안 선조체 CIN과 뇌간 ACh 돌출 세포의 뚜렷한 활동은 두 시스템이 선조체의 정보 처리에서 서로 다르지만 상호 보완적인 역할을 한다는 것을 시사할 수 있습니다. 이러한 생각의 연장선에서, CIN에서 ACh의 방출은 강장제이며 행동 관련 사건에 의해 중단되는 반면, PPN에서 ACh의 방출은 두드러진 사건 동안 단계적으로 증가한다고 제안되었습니다(Dautan et al., 2014). 선조체에서 ACh의 두 가지 다른 원천의 기능적 관련성은 실험적으로 해결되지 않은 채로 남아 있습니다. 공동 방출 신경전달물질인 글루타메이트와 가바의 영향도 명확하게 평가되지 않았으며, 지금까지 선조체 CIN이 아닌 PPN은 PD에서 퇴화되는 것으로 나타났기 때문에 이 두 ACh 공급원의 차별적인 역할과 치료적 접근에 활용할 수 있는 PD 예측 마커 또는 특징을 찾기 위해 이들을 철저히 특성화하는 것이 더욱 중요해졌습니다.

PD 관련 병변의 진행은 하뇌간과 후각구에서 시작하여 상뇌간으로 올라간 후 PPN을 먼저 침범한 다음 중뇌로 이동하는 것으로 보고된 바 있습니다(Braak et al., 2004). 이러한 퇴행의 순서를 최근에 획득한 회로 연결성 지식, 특히 중뇌에 투사되고 조절하는 PPN 뉴런과 연관 짓는 것은 흥미롭습니다. 즉, 퇴행의 원인은 아직 밝혀지지 않았지만, 아직 평가가 필요하지만 단백질 오접힘 질환에서 설명되는 것과 유사한 메커니즘을 통해 질병의 확산이 기능적 시냅스 네트워크를 따른다는 가설을 세우고 싶은 유혹이 있습니다(Pecho-Vrieseling 외., 2014).

Conclusion

Neuromodulation of the BG represents a critical aspect in the generation of its different functions. Midbrain DA neurons show a high level of heterogeneity when considering biochemical markers, electrophysiological properties, co-release of main neurotransmitters, input-output connectivity and its related specialized behavioral functions. Such aspects driving a functional heterogeneity, although not exhaustive, raise the question of how the neurobiological substrates of distinct behavioral sub-domains cooperate to generate complex responses to environmental stimuli and ultimately maintain homeostasis. Hence, acquiring more knowledge about the neuromodulation of BG from the circuit/function point of view is critical to better understand how BG functions are generated in physiological conditions. For example, in vivo calcium imaging of DA and ACh terminals arising from functionally defined cell populations, in different projection sites, within varied behavioral contexts would provide better resolved information about the contribution of these two neuromodulators to naturalistic actions. In a similar way, site and function specific targeting of axons in a loss of function experimental design would complement the previous information and provide causal evidence of BG control of actions. Once this information is available, it would be possible to design medical approaches that can treat highly specific aspects of neurodegenerative disorders leaving all other functions intact. For example, different strategies could be taken to treat the motor symptoms of PD without carrying a cognitive decline and vice versa.

In the last 15 years, the development of circuit dissection tools and techniques have provided an incredible amount of knowledge at a systems neuroscience level. Unfortunately, very little of this information is reflected or used at the translational or clinical domains. It will be a long road to accommodate these new findings to refine the current pharmacological and electrical treatments, but the modification of sub-circuits in PD is an indispensable aspect that must be considered in the design of optimally targeted therapies. A significant improvement in therapeutical strategies may reside in the development of circuit and cell type specific pharmacological compounds. As of today, some pioneering studies are trying to address this challenge combining site specific deep brain stimulation and pharmacology (Creed et al., 2015).

결론
중뇌의 신경조절은 다양한 기능을 생성하는 데 있어 매우 중요한 측면을 나타냅니다. 중뇌 DA 뉴런은 생화학적 마커, 전기생리학적 특성, 주요 신경전달물질의 공동 방출, 입출력 연결성 및 이와 관련된 특수 행동 기능을 고려할 때 높은 수준의 이질성을 보입니다. 이러한 기능적 이질성을 유발하는 측면은 비록 전부는 아니지만, 서로 다른 행동 하위 영역의 신경생물학적 기질이 어떻게 협력하여 환경 자극에 대한 복잡한 반응을 생성하고 궁극적으로 항상성을 유지하는지에 대한 의문을 제기합니다. 따라서 회로/기능의 관점에서 BG의 신경조절에 대한 더 많은 지식을 습득하는 것은 생리적 조건에서 BG 기능이 어떻게 생성되는지 더 잘 이해하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, 다양한 행동 맥락에서 기능적으로 정의된 세포 집단, 다양한 투영 부위에서 발생하는 DA 및 ACh 단자의 생체 내 칼슘 이미징은 이 두 신경조절 물질이 자연스러운 행동에 기여하는 바에 대한 더 나은 정보를 제공할 수 있습니다. 비슷한 방식으로, 기능 상실 실험 설계에서 축삭의 부위 및 기능별 표적화는 이전 정보를 보완하고 행동의 BG 제어에 대한 인과적 증거를 제공할 수 있습니다. 이러한 정보가 확보되면 다른 모든 기능은 그대로 두고 신경 퇴행성 장애의 매우 특정한 측면을 치료할 수 있는 의학적 접근법을 설계할 수 있을 것입니다. 예를 들어, 인지 기능 저하를 동반하지 않으면서 파킨슨병의 운동 증상을 치료하기 위해 다양한 전략을 취할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

지난 15년 동안 회로 해부 도구와 기술의 발달로 시스템 신경과학 수준에서 엄청난 양의 지식이 축적되었습니다. 안타깝게도 이러한 정보 중 번역이나 임상 영역에서 반영되거나 사용되는 것은 거의 없습니다. 현재의 약리학 및 전기적 치료법을 개선하기 위해 이러한 새로운 발견을 수용하는 것은 먼 길이 될 것이지만, PD의 하위 회로를 수정하는 것은 최적의 표적 치료법을 설계할 때 반드시 고려해야 하는 필수적인 측면입니다. 치료 전략의 상당한 개선은 회로 및 세포 유형별 약리 화합물의 개발에 있을 수 있습니다. 현재 일부 선구적인 연구에서 부위별 뇌심부 자극과 약리학을 결합하여 이 문제를 해결하려고 시도하고 있습니다(Creed et al., 2015).