Trends in Neurosci綜述：神奇的多巴胺
神經調節(jié)劑多巴胺（DA）對調節(jié)學習、動機和運動至關重要。盡管它很重要，但DA對靶細胞活性的影響以及改變行為的機制仍不清楚。
近日，美國紐約大學格羅斯曼醫(yī)學院神經科學研究Tanya Sippy和Nicolas X. Tritsch在Trends in Neurosciences上發(fā)表綜述，介紹了最近的方法學進展，這些進展有助于克服歷史上阻礙該領域的挑戰(zhàn)。綜述中討論了這些方法的應用如何揭示了腦中細胞外DA的復雜動力學，以及DA信號如何改變體內目標神經元的放電、生化和群體活動。這些發(fā)現(xiàn)產生了關于DA釋放改變行為的機制的新假設。
從細胞到行為的DA“橋梁”
在過去的幾十年中，人們一直致力于揭示DA是如何促進哺乳動物行為的，方法是在體內表征黑質致密部（SNc）和腹側被蓋區(qū)（VTA）中DA釋放神經元的活性，并在體外解剖DA對靶細胞的影響。這些研究為建立DA功能的當前模型提供了基礎。例如，DA神經元表現(xiàn)出多種放電模式，這些放電模式被廣泛地分為兩類：強直性（tonic）和階段性（phasic）。
Tonic指的是自發(fā)的（可能是細胞固有的），每秒發(fā)射2至8個動作電位，為目標神經元提供基礎水平的DA，并被認為在運動中發(fā)揮了基本作用。Phasic指的是DA神經元的短暫（持續(xù)時間為幾百毫秒）放電增加或減少（即放電突發(fā)和暫停），這與獎勵預測錯誤（RPE）的編碼和促進強化學習密切相關。
DA一旦釋放后，可作用于G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的五種亞型中的任何一種，D1至D5，其可定位于各種細胞室（例如，體細胞、樹突或軸突）和靶細胞（例如，興奮性和抑制性神經元以及膠質細胞）。在這篇綜述中，作者首先討論了研究體內DA釋放動力學的新方法。然后，考慮了與研究DA信號對靶細胞的功能影響相關的一些挑戰(zhàn)。
從DA的釋放動力學認識DA
理解DA功能的一個關鍵要素是定義在行為期間何時何地釋放DA。微透析和伏安法都提供了DA濃度的定量測量，但這些方法具有顯著的局限性：微透析缺乏解析快速DA信號的能力，伏安法在行為動物中相對難以實現(xiàn)。
現(xiàn)階段采用了兩種成像技術來解決這一需求。第一種方法依賴于明亮和敏感的基因編碼鈣指示劑（GECI）的表達，如GCaMP6及其最近的變體，以根據(jù)DA軸突的特定群體的活性推斷DA釋放。第二種方法通過表達dLight和GRAB-DA家族DA的基因編碼熒光生物傳感器，實現(xiàn)對細胞外DA水平的直接監(jiān)測。這兩種方法都適用于行為動物的單光子或雙光子顯微鏡。
DA釋放的階段性增加或減少可能不是DA編碼獎賞信號的唯一模式。最近一項利用GCaMP6光度法的研究發(fā)現(xiàn)，在口渴的小鼠飲水后約10分鐘，VTA軸突的活性緩慢增加，這表明DA水平的長期變化也可能有助于行為強化?？傊?strong>這些發(fā)現(xiàn)模糊了tonic信號和phasic信號之間的簡單區(qū)分，以及它們在運動和學習中各自的作用，并表明DA信號比以前認為的要復雜得多。
解析DA對靶細胞作用的挑戰(zhàn)
目前，DA調節(jié)目標腦區(qū)神經元活性以影響行為的具體生理機制和時間過程仍然不清楚[Fig.1A]。解析DA對下游環(huán)路影響的一個重要挑戰(zhàn)是，DA的釋放可能通過經典突觸以外的機制發(fā)生：DA軸突形成的軸突曲張體（varicosity），其中許多不能通過活性依賴性囊泡胞吐釋放DA，并在重復刺激下經歷明顯的抑制。
DA一旦被釋放，就被認為通過容積傳遞（volume transmission）起作用，這種神經遞質在大腦相對較大的區(qū)域中緩慢且非特異性地發(fā)送信號。此外，DA神經元還通過自身胞體和樹突的囊泡胞吐釋放DA，并作用于自身D2受體，負性調節(jié)體細胞放電。
另一個主要挑戰(zhàn)是，與谷氨酸和GABA等作用于配體門控離子通道的神經遞質不同，DA僅通過GPCR起作用。因此，DA受體不會直接激發(fā)使目標神經元去極化或超極化的膜電流。相反，DA對任何給定細胞的作用隨受體、第二信使和效應蛋白的表達類型以及該細胞的電和生化狀態(tài)的變化而變化，使得DA的作用顯著多樣化，并且高度依賴于細胞和環(huán)境。DA還通過激發(fā)鈣信號和星形膠質細胞釋放遞質來改變突觸傳遞，并促進或阻礙新的樹突棘的形成及其結構可塑性。
最后，從技術和概念上也難以理解DA調節(jié)的時間過程；體內DA水平在短時間尺度和長時間尺度上不斷波動，GPCR施加其自身的時間約束，在數(shù)百毫秒到幾分鐘甚至幾小時的多個時間尺度上影響細胞生理學[Fig.1B]。因此，DA對目標神經元的影響是復雜和時間變化性的。
Figure 1 揭示多巴胺（DA）的分子、細胞和環(huán)路效應的動力學
紋狀體DA調節(jié)的經典觀點
紋狀體是皮層下的大腦區(qū)域，其中神經元群主要由表達D1或D2受體的GABA能棘投射神經元（SPNs）組成。特別是在背側紋狀體中，D1-SPNs和D2-SPNs的互斥表達在小鼠中得到了很好的證實。
在這個框架內，嚙齒類動物背側紋狀體中DA提高了表達D1受體的紋狀體-黑質SPNs的活性，并降低表達D2受體的紋狀體-蒼白球SPNs的活動[Fig.2]。例如，DA已被證明通過突觸前和突觸后機制的組合，促進了來自頻繁刺激D1-SPNs的新皮質投射的谷氨酸能突觸的長期增強（LTP），以及D2-SPNs興奮性輸入的長期抑制（LTD）。DA也被認為通過突觸后谷氨酸受體的短期可塑性，以及通過突觸前調節(jié)SPN側支的GABA釋放，使紋狀體輸出偏向D1-SPNs。
Figure 2 多巴胺（DA）調節(jié)紋狀體輸出
DA被認為可以改變紋狀體輸出的另一種重要方式是動態(tài)改變SPNs的胞體-樹突興奮性。刺激DA受體不會引起SPNs靜息膜電位的任何明顯變化，因為這些細胞不表達G蛋白介導的內向整流鉀（GIRK）或超極化激活的環(huán)核苷酸門控（HCN）通道。然而，DA影響幾個電壓門控鈉、鉀和鈣通道的門控特性和電導，這些通道控制SPN響應于恒定的興奮性輸入激發(fā)的動作電位。
盡管有這些機制上的見解，但關于DA的特定調節(jié)作用、其幅度和時間進程，特別是在體內和行為動物中，仍然存在重要問題。事實上，在體紋狀體環(huán)境與離體紋狀體環(huán)境明顯不同。
首先，大腦切片中SPNs的靜息膜電勢比體內約低20 mV，部分原因是在清醒大腦中，SPNs暴露于持續(xù)不斷的興奮性突觸輸入。第二，當DA傳入細胞被切斷時，紋狀體切片中的細胞外DA水平極低，這與體內情況不同，在體內情況下，SPNs持續(xù)暴露于波動的DA水平。最后，紋狀體輸出由許多細胞和突觸元件的動態(tài)相互作用形成，包括紋狀體中間神經元和傳入活動模式。因此，DA軸突對紋狀體輸出的調節(jié)作用只能通過在行為過程中考慮神經元動態(tài)來充分評估。
DA信號對靶神經元的新見解
一個新興且有前景的研究途徑需要對特定細胞類型中DA受體的下游分子靶點進行成像。近年來，在開發(fā)用于細胞內cAMP水平和PKA活性的基因編碼光學傳感器方面取得了重大進展。這些傳感器中的大多數(shù)由蛋白質序列組成，這些蛋白質序列在與cAMP物理結合或被PKA磷酸化時發(fā)生構象變化，并依靠F?rster共振能量轉移（FRET）或循環(huán)置換熒光蛋白產生光子，這些光子可以通過常規(guī)熒光或壽命顯微鏡和光度法成像。它們的靈敏度和動力學取決于所使用的分子傳感器的特性。
通過這些方法得出的一系列觀察結果，突顯了體內DA信號的理解是多么不完整，以及呼吁對DA以相等但相反的方式雙向控制D1和D2 SPNs放電的經典觀點進行重大修改。
SPNs表達的其他GPCR匯聚在相同的細胞內信號級聯(lián)上，并與DA競爭PKA激活，最著名的是D1 SPNs中的Gαi偶聯(lián)的毒蕈堿M4受體和D2 SPNs中Gαs偶聯(lián)的腺苷A2A受體。因此，越來越明顯的是，如果不考慮Ach和腺苷等調節(jié)劑，就無法理解DA對SPNs的作用，因為它們在大腦中的水平與DA一樣，會動態(tài)變化。
值得注意的是，SPNs中鈣瞬變的頻率明顯低于SPNs的動作電位放電率，這表明鈣成像可能不適合估計SPNs放電。SPNs中的細胞內鈣信號反而反映了動作電位的爆發(fā)，因此可能最好地突出了促進突觸可塑性的胞體-樹突鈣事件。
總結與展望
在這篇綜述中，作者討論了最近關于靶神經元中DA釋放和DA信號的更細致和動態(tài)化的方法學進展。這些進展還模糊了階段性（phasic）DA和強直性（tonic）DA之間的清晰區(qū)分，并表明DA對基于獎勵的學習和運動的不同影響不能簡單地歸因于DA神經元放電或DA釋放的模式。
DA在體內如何作用于目標神經元的經典概念也正在重新審視，因為人們越來越認識到DA在環(huán)路層面的作用是空間、時間和環(huán)境相關的，因此無法從體外單細胞研究中輕易推斷。
總而言之，要理解DA釋放的豐富模式如何改變大腦回路，從而在不同時間尺度和不同環(huán)境下影響行為，還有很多工作要做。
參考文獻：
Sippy, Tanya, and Nicolas X Tritsch. “Unraveling the dynamics of dopamine release and its actions on target cells.” Trends in neurosciences, S0166-2236(22)00259-4. 10 Jan. 2023, doi:10.1016/j.tins.2022.12.005
編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
