分子钟驱动小鼠多巴胺能神经元的昼夜节律性电活动与动机性运动行为

本研究揭示了多巴胺能神经元(DANs)内源性分子钟通过调控L型钙通道依赖性爆发式放电，驱动动机性运动行为的昼夜节律模式。研究人员通过条件性敲除Bmal1基因，首次证实SNc和VTA区DANs具有细胞自主的分子钟机制，其不仅调控核心时钟基因的节律表达，更通过影响神经元放电模式（4-8h超昼夜节律）和钙通道活性来协调运动动机。该发现为帕金森病等运动障碍疾病的昼夜节律失调机制提供了新见解。

　　

在生物钟研究领域，位于下丘脑的视交叉上核(SCN)长期被认为是哺乳动物昼夜节律的"主时钟"。然而，越来越多的证据表明，外周组织和特定神经元群体可能拥有自主的节律调控能力。其中，中脑多巴胺能神经元(DANs)因其在运动控制和奖赏行为中的核心作用而备受关注。这些神经元从黑质致密部(SNc)和腹侧被盖区(VTA)分别投射到纹状体的不同区域，其功能异常与帕金森病(PD)等运动障碍密切相关。尽管已知多巴胺释放存在昼夜波动，且SCN损伤会暴露超昼夜节律(2-6h)的振荡现象，但DANs是否具有细胞自主的分子钟机制，以及这种机制如何影响其电生理特性和行为输出，始终是未解之谜。

为回答这些问题，由Karen L. Gamble和Rita M. Cowell共同领导的国际研究团队在《npj Biological Timing and Sleep》发表了突破性成果。研究团队通过单分子荧光原位杂交、条件性基因敲除和离体电生理记录等技术系统，首次证实SNc和VTA的DANs存在细胞自主的分子钟。他们构建了多巴胺转运体(Slc6a3)启动子驱动的Bmal1条件敲除小鼠(cDel-Bmal1)，采用昼夜节律行为分析、免疫组化定量和脑片膜片钳记录等方法，揭示了分子钟对神经元放电模式和运动行为的调控机制。

研究结果首先通过"中脑DANs中时钟基因和时钟控制基因的节律表达表明存在细胞自主的时钟机制"证实，Per1/Per2在SNc和VTA的TH⁺神经元中呈现24小时表达节律，而Rora和Dbp则表现出12小时的双峰节律。这些节律的相位和幅度存在脑区特异性，如VTA的Per1/Per2峰值比SNc早约1小时。

在"DAN特异性Bmal1条件性敲除对细胞计数和终端密度影响有限"部分，免疫荧光显示cDel-Bmal1小鼠SNc的TH⁺神经元仅减少8.3%，且纹状体和伏隔核的DAT/TH表达无差异，排除了大规模神经元丢失对行为影响的干扰。

关键发现体现在"DAN特异性Bmal1敲除减少动机性运动行为"中：cDel-Bmal1小鼠在转轮运动(黑暗期)中活动量显著降低，但红外监测的笼内基础活动无变化。这种选择性缺陷提示分子钟特异调控动机行为而非基本运动能力。有趣的是，安非他明诱导的运动亢进反应在两组间无差异，且除平衡测试外，其他运动功能评估均正常。

电生理部分"SNc和VTA DANs表现出时钟依赖的昼夜和双峰放电节律"揭示：野生型SNc DANs放电频率呈现23.9小时节律，而敲除后转为5.3小时超昼夜节律；VTA DANs则从11.4小时双峰节律转为3.1小时节律。ISI变异系数(CV)分析显示，野生型SNc神经元在活动期早期(ZT12-16)放电不规则性显著增加，这一现象在敲除小鼠中消失。

深入机制研究发现"SNc DAN爆发式放电具有昼夜时相依赖性且需要L型钙通道激活"：野生型SNc神经元在ZT12-16时爆发式放电比例最高(>15% SIB)，而敲除小鼠始终维持在低水平(<5%)。这种节律性爆发依赖L型钙通道(Ca_v1.2)而非NMDA受体激活，因为硝苯地平可特异性阻断该现象。

这项研究首次系统阐明了多巴胺能神经元内源性分子钟的运作机制及其行为学意义。分子钟通过调控LTCC依赖性爆发放电，在特定昼夜时相增强SNc神经元的信号输出，从而促进动机性运动行为。当分子钟失调时，原本的昼夜节律被超昼夜振荡取代，这种电活动模式的改变可能是PD患者运动症状昼夜波动的潜在机制。研究还提出了重要启示：衰老相关的分子钟功能衰退可能通过改变钙稳态增加DANs的代谢压力，这为理解PD的选择性神经元脆弱性提供了新视角。未来研究可进一步探索分子钟基因变异与PD发病的关联，以及时辰疗法在运动障碍治疗中的应用潜力。