Science：为什么我们会对快乐瞬间上瘾？耶鲁大学团队揭示纹状体多巴胺传递的离散时空编码机制

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多巴胺（DA）通过激活不同亚型的G蛋白偶联受体，对多种依赖基底神经节的行为起关键调节作用。虽然已有大量研究表明空间范围较广的多巴胺释放，但多巴胺在亚细胞水平上如何影响纹状体功能仍知之甚少。

基于此，2025年7月10日，耶鲁大学Christopher P. Ford研究团队在Science杂志发表了“Discrete spatiotemporal encoding of striatal dopamine transmission”揭示了纹状体多巴胺传递的离散时空编码。

作者利用双光子成像（2P成像）和全细胞膜片钳电生理记录技术，定义了多巴胺传递到纹状体间接通路棘状投射神经元时的时空特性。稀疏激活多巴胺释放位点可引发局部的多巴胺信号，在树突上产生空间离散的、由D2受体介导的反应。多巴胺受体信号在不同的下游胞内通路之间表现出不同的时空特性。作者提出，膜限制性的Gβγ信号传导与胞内第二信使通路是平行发生的，但发生在不同的空间和时间尺度上，这种机制为纹状体神经元对多巴胺信号的精确解码提供了可能。

图一 稀疏激活多巴胺曲张体可在纹状体中引发局部的多巴胺信号

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为了刺激多巴胺轴突末梢，在单个棘状投射神经元（SPN）树突周围使用短暂电刺激激活被tdTomato标记的多巴胺轴突，并通过膜片钳电极将红色荧光染料（AF594）注入细胞后利用双光子成像观察。通过表达基因编码的钙传感器GCaMP6f来量化多巴胺轴突的激活情况，发现不同轴突段的钙信号存在差异，且在轴突分支点经常出现动作电位传导失败。这表明，在多巴胺轴突分支内部，动作电位传导和钙信号可能存在异质性从而可能导致轴突末梢多巴胺释放的空间异质性。为了研究少量明确的轴突末梢的多巴胺释放情况，使用河豚毒素（TTX）和4-氨基吡啶（4-AP）限制电刺激引发的动作电位传播范围，使激活的轴突曲张体数量控制在视野范围内。为了进一步定义多巴胺释放到SPN上的时空动态特性，在背侧纹状体中表达了基因编码的多巴胺传感器dLight1.3b并在局部、空间受限地刺激多巴胺轴突后检测其激活引起的荧光变化。再次将AF594注入SPN，并在受体拮抗剂存在下在特定树突附近诱发多巴胺释放。使用点扫描双光子斑点光度法（2PSP）测量树突上的多巴胺瞬态动力学，结果显示其上升和下降时间迅速，表明这些多巴胺信号持续时间短。dLight荧光的变化可被D1受体拮抗剂阻断，说明这是dLight1.3b激活的结果。结合钙传感器jRGECO1a和dLight1.3b，作者发现这些多巴胺热点距离最近的激活轴突曲张体约5μm。综上所述，稀疏激活多巴胺曲张体可在纹状体SPN树突的小型亚细胞区域上引发空间受限、高浓度的多巴胺瞬态信号。

图二 空间局部化的多巴胺信号激活了间接通路iSPN的多巴胺受体

作者旨在研究空间局部化的多巴胺瞬态信号如何与受体的功能激活相关。为此，考察了间接通路棘状投射神经元（iSPN）中D2受体（D2R）的信号传导。在这些神经元中，Gαi/o偶联的D2R激活通过膜限制性的Gβγ信号抑制电压门控钙通道（VGCC）从而减少树突中的钙离子内流。作者利用Adora2a-cre小鼠，通过病毒标记表达D2R的iSPN并使用tdTomato荧光蛋白标记这些细胞，同时将钙指示剂Fluo5F和AF594注入细胞以可视化树突结构。通过胞体电流注射诱发单个反向传播的动作电位（bAP），从而在iSPN树突中引发短暂的钙信号。外源性多巴胺的应用可降低树突钙瞬态，这种效应可被D2R拮抗剂舒必利完全阻断，并被R型VGCC阻断剂SNX-482部分减弱，这与D2R对钙通道的抑制作用一致。为了探究内源性多巴胺瞬态是否也能抑制VGCC，将电刺激电极放置在iSPN树突附近，并在无TTX条件下进行最小电刺激以诱发多巴胺释放。与外源性多巴胺应用类似，局部多巴胺释放也通过激活D2R抑制了树突钙瞬态。然而，这种效应仅出现在部分树突区域。为了更清楚地了解这种D2R依赖性信号的空间分布，在同一根树突的不同位置测量了局部多巴胺浓度变化以及VGCC调制情况。结果表明，只有在局部Δ[DA]超过10 μM的小范围内，才能观察到钙内流的抑制。因此，D2R对VGCC的调制具有高度空间局限性。由于在树突上VGCC的调制幅度较小且局限于局部区域，进一步通过病毒过表达了G蛋白偶联的内向整流钾通道（GIRK）作为类比生物传感器以直接测量D2R的激活情况。Gαi/o偶联受体释放的膜限制性Gβγ亚单位可激活邻近的GIRK通道。在表达GIRK通道的iSPN中，局部多巴胺瞬态引发了微弱的D2R介导的抑制性突触后电流（最小D2-IPSC），该电流可被舒必利或iSPN中D2R的条件性敲除所消除。结合VGCC的调制结果表明膜限制性信号主要发生在高浓度多巴胺作用的膜区域。用可卡因抑制DAT后，最小D2-IPSC的持续时间延长，但其幅度未发生变化；然而，它却增强了外源性多巴胺诱发的D2R电流幅度。尽管大多数多巴胺轴突并不形成经典的突触连接，这一结果仍表明D2R与释放位点之间的距离足够近，使得摄取机制对其激活无显著影响，功能上表现出一种“类突触”激活模式。

图三 局部多巴胺信号在SPN树突的亚细胞水平上被编码

为了评估Gβγ介导的效应是否在iSPN树突上以空间方式进行编码，通过病毒手段过表达了GIRK通道并针对同一神经元的不同树突，在每个亚细胞位置测量由局部多巴胺瞬态引发的D2R激活情况。尽管空间受限的刺激能够稳定地在iSPN树突上诱发局部多巴胺释放，但D2R的激活表现出显著的异质性：许多树突即使在存在高浓度多巴胺瞬态的情况下，也未能引发最小的D2介导抑制性电流（D2-IPSC）。局部抑制D2R可完全阻断受体激活，但局部多巴胺浓度或“热点”数量并不能可靠地预测是否会出现最小D2-IPSC。这种受体驱动的反应不依赖于树突与胞体之间的距离、树突的分支顺序或棘的密度，也不是由于GIRK通道表达不均所致。作者在iSPN中过表达D2R，以扰乱原有受体的空间组织方式。D2R的过表达增强了外源性多巴胺诱发的电流，并提高了由局部释放引发最小D2-IPSC的可能性。虽然反应幅度没有变化，但在几乎每一个亚细胞位置，空间受限的刺激都能引发最小D2-IPSC。综合来看，这些结果表明，D2R的离散激活依赖于其在iSPN树突上的亚细胞定位，提示D2R在最小D2-IPSC发生的位置具有功能性组织。还同时记录了一对iSPN，并在两个神经元的树突靠近的位置诱发了局部多巴胺释放。几乎在所有情况下，局部多巴胺瞬态仅在一个iSPN中引发了最小D2-IPSC。为了判断是否是由于受体分布不均导致只有一个神经元响应，作者再次在iSPN中过表达了D2R。当D2R过表达后，局部多巴胺释放能够稳定地在两个iSPN中都引发反应。这些数据共同表明，单一的多巴胺信号是由特定的iSPN树突进行空间解码的，这很可能是由于树突上D2R分布的不均匀造成的。

总结

研究揭示了大脑中多巴胺系统如何通过精确的时空动态调节行为和认知功能。这一发现不仅深化了对神经递质释放机制的理解，还为理解多种神经精神疾病（如帕金森病、成瘾和抑郁症）的病理生理学提供了新的视角。研究表明，多巴胺在纹状体内的释放并非均匀扩散，而是以高度局部化和时间精确的方式进行，这直接影响到目标神经元的激活模式及其下游效应。这种精确调控机制对于学习、动机和决策等高级脑功能至关重要。进一步解析这些精细的神经化学过程，有助于开发更加精准的治疗策略，从而改善现有药物疗法的局限性，并为个性化医疗提供理论基础。

文章来源

10.1126/science.adp9833