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多巴胺（DA）通過激活不同亞型的G蛋白偶聯(lián)受體，對多種依賴基底神經(jīng)節(jié)的行為起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。雖然已有大量研究表明空間范圍較廣的多巴胺釋放，但多巴胺在亞細(xì)胞水平上如何影響紋狀體功能仍知之甚少。

基于此，2025年7月10日，耶魯大學(xué)Christopher P. Ford研究團(tuán)隊(duì)在Science雜志發(fā)表了“Discrete spatiotemporal encoding of striatal dopamine transmission”揭示了紋狀體多巴胺傳遞的離散時空編碼。

作者利用雙光子成像（2P成像）和全細(xì)胞膜片鉗電生理記錄技術(shù)，定義了多巴胺傳遞到紋狀體間接通路棘狀投射神經(jīng)元時的時空特性。稀疏激活多巴胺釋放位點(diǎn)可引發(fā)局部的多巴胺信號，在樹突上產(chǎn)生空間離散的、由D2受體介導(dǎo)的反應(yīng)。多巴胺受體信號在不同的下游胞內(nèi)通路之間表現(xiàn)出不同的時空特性。作者提出，膜限制性的Gβγ信號傳導(dǎo)與胞內(nèi)第二信使通路是平行發(fā)生的，但發(fā)生在不同的空間和時間尺度上，這種機(jī)制為紋狀體神經(jīng)元對多巴胺信號的精確解碼提供了可能。

圖一 稀疏激活多巴胺曲張?bào)w可在紋狀體中引發(fā)局部的多巴胺信號

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為了刺激多巴胺軸突末梢，在單個棘狀投射神經(jīng)元（SPN）樹突周圍使用短暫電刺激激活被tdTomato標(biāo)記的多巴胺軸突，并通過膜片鉗電極將紅色熒光染料（AF594）注入細(xì)胞后利用雙光子成像觀察。通過表達(dá)基因編碼的鈣傳感器GCaMP6f來量化多巴胺軸突的激活情況，發(fā)現(xiàn)不同軸突段的鈣信號存在差異，且在軸突分支點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)動作電位傳導(dǎo)失敗。這表明，在多巴胺軸突分支內(nèi)部，動作電位傳導(dǎo)和鈣信號可能存在異質(zhì)性從而可能導(dǎo)致軸突末梢多巴胺釋放的空間異質(zhì)性。為了研究少量明確的軸突末梢的多巴胺釋放情況，使用河豚毒素（TTX）和4-氨基吡啶（4-AP）限制電刺激引發(fā)的動作電位傳播范圍，使激活的軸突曲張?bào)w數(shù)量控制在視野范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步定義多巴胺釋放到SPN上的時空動態(tài)特性，在背側(cè)紋狀體中表達(dá)了基因編碼的多巴胺傳感器dLight1.3b并在局部、空間受限地刺激多巴胺軸突后檢測其激活引起的熒光變化。再次將AF594注入SPN，并在受體拮抗劑存在下在特定樹突附近誘發(fā)多巴胺釋放。使用點(diǎn)掃描雙光子斑點(diǎn)光度法（2PSP）測量樹突上的多巴胺瞬態(tài)動力學(xué)，結(jié)果顯示其上升和下降時間迅速，表明這些多巴胺信號持續(xù)時間短。dLight熒光的變化可被D1受體拮抗劑阻斷，說明這是dLight1.3b激活的結(jié)果。結(jié)合鈣傳感器jRGECO1a和dLight1.3b，作者發(fā)現(xiàn)這些多巴胺熱點(diǎn)距離最近的激活軸突曲張?bào)w約5μm。綜上所述，稀疏激活多巴胺曲張?bào)w可在紋狀體SPN樹突的小型亞細(xì)胞區(qū)域上引發(fā)空間受限、高濃度的多巴胺瞬態(tài)信號。

圖二 空間局部化的多巴胺信號激活了間接通路iSPN的多巴胺受體

作者旨在研究空間局部化的多巴胺瞬態(tài)信號如何與受體的功能激活相關(guān)。為此，考察了間接通路棘狀投射神經(jīng)元（iSPN）中D2受體（D2R）的信號傳導(dǎo)。在這些神經(jīng)元中，Gαi/o偶聯(lián)的D2R激活通過膜限制性的Gβγ信號抑制電壓門控鈣通道（VGCC）從而減少樹突中的鈣離子內(nèi)流。作者利用Adora2a-cre小鼠，通過病毒標(biāo)記表達(dá)D2R的iSPN并使用tdTomato熒光蛋白標(biāo)記這些細(xì)胞，同時將鈣指示劑Fluo5F和AF594注入細(xì)胞以可視化樹突結(jié)構(gòu)。通過胞體電流注射誘發(fā)單個反向傳播的動作電位（bAP），從而在iSPN樹突中引發(fā)短暫的鈣信號。外源性多巴胺的應(yīng)用可降低樹突鈣瞬態(tài)，這種效應(yīng)可被D2R拮抗劑舒必利完全阻斷，并被R型VGCC阻斷劑SNX-482部分減弱，這與D2R對鈣通道的抑制作用一致。為了探究內(nèi)源性多巴胺瞬態(tài)是否也能抑制VGCC，將電刺激電極放置在iSPN樹突附近，并在無TTX條件下進(jìn)行最小電刺激以誘發(fā)多巴胺釋放。與外源性多巴胺應(yīng)用類似，局部多巴胺釋放也通過激活D2R抑制了樹突鈣瞬態(tài)。然而，這種效應(yīng)僅出現(xiàn)在部分樹突區(qū)域。為了更清楚地了解這種D2R依賴性信號的空間分布，在同一根樹突的不同位置測量了局部多巴胺濃度變化以及VGCC調(diào)制情況。結(jié)果表明，只有在局部Δ[DA]超過10 μM的小范圍內(nèi)，才能觀察到鈣內(nèi)流的抑制。因此，D2R對VGCC的調(diào)制具有高度空間局限性。由于在樹突上VGCC的調(diào)制幅度較小且局限于局部區(qū)域，進(jìn)一步通過病毒過表達(dá)了G蛋白偶聯(lián)的內(nèi)向整流鉀通道（GIRK）作為類比生物傳感器以直接測量D2R的激活情況。Gαi/o偶聯(lián)受體釋放的膜限制性Gβγ亞單位可激活鄰近的GIRK通道。在表達(dá)GIRK通道的iSPN中，局部多巴胺瞬態(tài)引發(fā)了微弱的D2R介導(dǎo)的抑制性突觸后電流（最小D2-IPSC），該電流可被舒必利或iSPN中D2R的條件性敲除所消除。結(jié)合VGCC的調(diào)制結(jié)果表明膜限制性信號主要發(fā)生在高濃度多巴胺作用的膜區(qū)域。用可卡因抑制DAT后，最小D2-IPSC的持續(xù)時間延長，但其幅度未發(fā)生變化；然而，它卻增強(qiáng)了外源性多巴胺誘發(fā)的D2R電流幅度。盡管大多數(shù)多巴胺軸突并不形成經(jīng)典的突觸連接，這一結(jié)果仍表明D2R與釋放位點(diǎn)之間的距離足夠近，使得攝取機(jī)制對其激活無顯著影響，功能上表現(xiàn)出一種“類突觸”激活模式。

圖三 局部多巴胺信號在SPN樹突的亞細(xì)胞水平上被編碼

為了評估Gβγ介導(dǎo)的效應(yīng)是否在iSPN樹突上以空間方式進(jìn)行編碼，通過病毒手段過表達(dá)了GIRK通道并針對同一神經(jīng)元的不同樹突，在每個亞細(xì)胞位置測量由局部多巴胺瞬態(tài)引發(fā)的D2R激活情況。盡管空間受限的刺激能夠穩(wěn)定地在iSPN樹突上誘發(fā)局部多巴胺釋放，但D2R的激活表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性：許多樹突即使在存在高濃度多巴胺瞬態(tài)的情況下，也未能引發(fā)最小的D2介導(dǎo)抑制性電流（D2-IPSC）。局部抑制D2R可完全阻斷受體激活，但局部多巴胺濃度或“熱點(diǎn)”數(shù)量并不能可靠地預(yù)測是否會出現(xiàn)最小D2-IPSC。這種受體驅(qū)動的反應(yīng)不依賴于樹突與胞體之間的距離、樹突的分支順序或棘的密度，也不是由于GIRK通道表達(dá)不均所致。作者在iSPN中過表達(dá)D2R，以擾亂原有受體的空間組織方式。D2R的過表達(dá)增強(qiáng)了外源性多巴胺誘發(fā)的電流，并提高了由局部釋放引發(fā)最小D2-IPSC的可能性。雖然反應(yīng)幅度沒有變化，但在幾乎每一個亞細(xì)胞位置，空間受限的刺激都能引發(fā)最小D2-IPSC。綜合來看，這些結(jié)果表明，D2R的離散激活依賴于其在iSPN樹突上的亞細(xì)胞定位，提示D2R在最小D2-IPSC發(fā)生的位置具有功能性組織。還同時記錄了一對iSPN，并在兩個神經(jīng)元的樹突靠近的位置誘發(fā)了局部多巴胺釋放。幾乎在所有情況下，局部多巴胺瞬態(tài)僅在一個iSPN中引發(fā)了最小D2-IPSC。為了判斷是否是由于受體分布不均導(dǎo)致只有一個神經(jīng)元響應(yīng)，作者再次在iSPN中過表達(dá)了D2R。當(dāng)D2R過表達(dá)后，局部多巴胺釋放能夠穩(wěn)定地在兩個iSPN中都引發(fā)反應(yīng)。這些數(shù)據(jù)共同表明，單一的多巴胺信號是由特定的iSPN樹突進(jìn)行空間解碼的，這很可能是由于樹突上D2R分布的不均勻造成的。

總結(jié)

研究揭示了大腦中多巴胺系統(tǒng)如何通過精確的時空動態(tài)調(diào)節(jié)行為和認(rèn)知功能。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對神經(jīng)遞質(zhì)釋放機(jī)制的理解，還為理解多種神經(jīng)精神疾病（如帕金森病、成癮和抑郁癥）的病理生理學(xué)提供了新的視角。研究表明，多巴胺在紋狀體內(nèi)的釋放并非均勻擴(kuò)散，而是以高度局部化和時間精確的方式進(jìn)行，這直接影響到目標(biāo)神經(jīng)元的激活模式及其下游效應(yīng)。這種精確調(diào)控機(jī)制對于學(xué)習(xí)、動機(jī)和決策等高級腦功能至關(guān)重要。進(jìn)一步解析這些精細(xì)的神經(jīng)化學(xué)過程，有助于開發(fā)更加精準(zhǔn)的治療策略，從而改善現(xiàn)有藥物療法的局限性，并為個性化醫(yī)療提供理論基礎(chǔ)。

文章來源

10.1126/science.adp9833