综述：纹状体中多巴胺调节神经元兴奋性与神经传递的多重机制：个人与历史视角

《Cells》：Multiple Mechanisms of Dopamine Modulation of Neuronal Excitability and Neurotransmission in the Striatum: A Personal and Historical Perspective

　　

3,4-二羟苯乙胺，通常称为多巴胺（DA），是一种神经调质，可精细调节神经元兴奋性、神经递质释放以及其他神经递质对突触后神经元的作用。DA通过作用于D1和D2受体家族，参与多种功能。在纹状体中，DA主要涉及运动控制、动机和奖赏机制。在大脑皮层中，DA参与注意过程、工作记忆、长期记忆等。DA的过度产生或缺乏会导致神经回路失衡，这是多种神经和精神疾病的基础，包括帕金森病（PD）、精神分裂症、亨廷顿病（HD）和物质使用障碍（SUDs）等。DA通过调节离子通道、兴奋性（谷氨酸）和抑制性（γ-氨基丁酸，GABA）神经递质的释放，以及与谷氨酸和GABA受体的突触后相互作用来调节神经元兴奋性。DA的这些突触前和突触后作用共同构成了多种协同或拮抗效应，这些效应对设定膜电位、提高信噪比以及引导突触可塑性的方向具有重要意义。在本综述中，研究人员首先对探索DA在大脑中作用的众多研究进行历史性概述，特别关注纹状体。然后，研究人员将强调其实验室从电生理学角度对理解DA调节效应所做的一些贡献。最后，研究人员将讨论DA功能与功能障碍的机制性和治疗性意义。

2. 历史概述

对哺乳动物大脑中DA调节神经元兴奋性的研究始于20世纪60年代中期至70年代初，在麻醉的猫和大鼠中进行。大量研究采用尖锐电极细胞外记录和微离子电泳给药。神经生理学家试图回答的关键问题是DA对纹状体神经元产生兴奋还是抑制作用。除少数兴奋性反应的零散观察外，最初的共识是DA主要是一种抑制性神经递质。然而，电刺激黑质释放DA在尾状核神经元上同时观察到抑制和易化反应。细胞内记录也描述了DA对尾状核神经元效应的复杂图景：刺激黑质纹状体通路主要在中型多棘神经元（MSNs）中产生去极化兴奋性反应，或产生兴奋性和抑制性突触后电位序列的混合。当分别刺激黑质、丘脑和皮层输入时，皮层兴奋反应始终占主导。微离子电泳施加DA到尾状核或皮层锥体神经元（CPNs）一致地使膜去极化，但同时抑制自发或谷氨酸诱导的放电，且DA不改变动作电位形态或膜输入电阻，这反对了Na?去极化阻滞的解释。到70年代末，主流观点认为DA的功能与其说是兴奋或抑制尾状核神经元，不如说是调节对其他兴奋性或抑制性输入的反应。DA效应还取决于施加剂量：低浓度DA增强谷氨酸诱导的兴奋，高浓度则减弱谷氨酸兴奋。D1受体激动剂在低电流时增强谷氨酸激活，高电流时抑制大多数尾状核神经元；D2受体激动剂改变放电率的效果较差。

体外脑片和细胞内记录结合药物应用提供了进一步见解。一致发现是DA降低纹状体MSNs的兴奋性，通过突触前和突触后机制而不影响膜输入电阻。微摩尔浓度的选择性D1受体激动剂模拟DA效应，通过减少电压依赖性Na?电导实现抑制。D2受体激动剂无可检测效应。低浓度DA（1 μM）产生膜去极化和放电增加，高浓度（100–500 μM）抑制自发动作电位而不明显改变膜电位。一项里程碑式研究发现MSNs对D1受体激动剂的反应取决于膜电位：在超极化膜电位下D1激动剂抑制去极化电流脉冲诱发的放电，在去极化膜电位下则增强诱发活动，增强效应通过L型Ca2?电流的易化介导。D1和D2多巴胺受体在直接和间接通路MSNs中的分离发现为DA的对比效应提供了潜在机制。当前观点认为DA对神经元兴奋性和谷氨酸诱导放电的效应可为抑制性或兴奋性，取决于MSNs中的DA受体亚型、膜极化水平和DA剂量。此外，黑质纹状体通路DA神经元共释放GABA的证据增加了复杂性，可部分解释DA的抑制效应。

3. 纹状体神经元中谷氨酸释放的主要突触前调节

在原始生物中，DA通过突触前机制调节神经肌肉接头反应。受体结合和免疫组化研究提示皮层纹状体末梢上存在DA D2受体，药理学研究更一致地支持突触前D2受体调节谷氨酸释放。电生理研究证明D2家族受体的突触前和突触后作用。在麻醉动物中，靠近记录神经元离子电泳施加DA显著降低背景突触噪声，持续整个DA施加期间，GABA离子电泳无此效应。DA诱导的噪声抑制期间，神经元对皮层刺激的反应性降低，但增加刺激强度可恢复反应，提示DA通过突触前作用调节神经递质释放。DA耗竭后自发突触活动更明显，提示DA对纹状体MSNs突触输入有紧张性抑制作用。D2受体激动剂喹吡罗减少约35%谷氨酸能输入中4-氨基吡啶增强的突触电位的频率，平均频率减少约38%，估计仅10–15%的末梢受D2激动剂调节。全细胞膜片钳技术证明所有MSNs显示自发谷氨酸能和GABA能活动。D2受体敲除（KO）小鼠中，自发谷氨酸受体介导的内向电流频率增加而平均幅度不变。在野生型小鼠中，DA或喹吡罗减少自发兴奋性事件，舒必利（D2受体拮抗剂）增加活动；D2受体缺陷小鼠中舒必利无或极少净效应。研究人员得出结论，突触前谷氨酸末梢上的D2受体可作为谷氨酸释放的守门员，保护纹状体神经元免受过度兴奋。高频刺激皮层纹状体纤维在野生型小鼠诱导长时程抑制（LTD），而D2受体KO小鼠显示N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体依赖性长时程增强（LTP）。利用荧光染料FM1-43可视化皮层纹状体末梢并结合电化学检测纹状体DA释放，发现DA通过D2受体抑制部分皮层纹状体末梢的活性，且此调节依赖于施加于这些传入纤维的刺激频率，最活跃的输入通过滤除活性较低的输入而被选择。D2受体依赖性谷氨酸能突触传递减少也特异性地在间接通路MSNs中得到证实。利用腹侧被盖区（VTA）-皮层共培养，急性DA耗竭增加自发谷氨酸释放频率，由D2-Gβγ介导的电压门控Ca2?通道去抑制导致的基底突触前Ca2?激增驱动。

4. DA及其激动剂对谷氨酸传递的主要突触后调节

DA不仅调节兴奋性输入的谷氨酸释放，还参与突触后水平的DA-谷氨酸受体相互作用。突触三联体是CPNs和MSNs突触后区室中DA-谷氨酸受体相互作用的结构基础，DA和谷氨酸能末梢汇聚于树突棘上。低DA浓度增强谷氨酸兴奋，高剂量减弱谷氨酸反应。DA对自发和谷氨酸诱导放电的影响不同：低浓度DA主要抑制自发活跃的MSNs，对谷氨酸兴奋的修饰效果较弱并产生混合效应；高电流DA趋于减少谷氨酸反应。DA的主要功能之一是提高信噪比。研究人员发现DA差异性地调节谷氨酸受体诱发的反应：AMPA受体介导的反应被减弱，而NMDA受体介导的反应被增强。选择性DA受体激动剂实验中，D1受体激活主要增强谷氨酸反应特别是NMDA受体介导的反应，D2受体激活减弱谷氨酸反应特别是AMPA受体介导的反应。cAMP-PKA-DARPP-32级联在DA对纹状体MSNs产生差异性效应中发挥重要作用。在大脑皮层和伏隔核（NAc）中，大多数研究重复了这些发现。DA还调节MSNs中的Na?和K?通道活性：DA和D1受体激动剂减少K?电流的慢失活成分而不影响快失活成分，D2激动剂喹吡罗增强此电流；两者均显著减少Na?电流。电压门控Ca2?电流在NMDA电流增强中起重要作用。DA的一些效应是状态依赖性的，取决于突触后神经元的膜电位及受DA作用的离子通道：在负膜电位下D1激动剂抑制去极化电流脉冲诱发的放电，在更去极化电位下增强诱发活动，此效应依赖于L型Ca2?电流激活。D2受体激活通过阻断L型Ca2?通道降低MSNs的细胞兴奋性。D1受体激动剂增强直接通路MSNs的皮层纹状体反应，D2受体激动剂减少间接通路MSNs的顺行和自再生反应，从而平衡两条通路的兴奋性。GluN1亚基基因敲低的小鼠中D1激动剂对NMDA反应的增强显著减少；GluN2A亚基的基因删除或药理学阻断增强D1对NMDA反应的增强，而GluN2B亚基阻断减少此增强，表明主要包含在突触外NMDA受体中的这些调节亚基相互制衡各自的功能。D1受体增强NMDA反应的机制复杂多样：细胞内信号级联特别是cAMP-PKA-DARPP-32级联起关键作用；D1受体激活增强NMDA和AMPA受体的表面表达以及突触体膜组分中GluN1、GluN2A和GluN2B蛋白，此效应依赖于Fyn蛋白酪氨酸激酶；还包括NMDA受体GluN1亚基的磷酸化和电压门控Ca2?通道特别是L型通道的激活。在NAc中，磷脂酶C偶联的D1样受体通过蛋白激酶C（PKC）激活增强NMDA受体；在大脑皮层中，D1激动剂对NMDA反应的增强似乎通过抑制NMDA通道的Ca2?/钙调蛋白依赖性失活发生。D1和NMDA受体或其亚基可发生直接物理相互作用，在内质网中组装为寡聚单位并以预形成的异源复合物运输至细胞表面。NMDA受体激活将D1受体从细胞内部招募至质膜，尤其在树突棘中，而对D2受体分布无影响。D2受体与A2A受体形成异源复合物，主要存在于间接通路MSNs和星形胶质细胞中，其可能功能之一是限制D2受体的过度激活。

5. DA对GABA神经传递的调节及相互交互

DA对GABA受体介导反应的效应取决于激活的DA受体亚型。在纹状体中，D1受体刺激去极化诱发的GABA释放，D2受体抑制该释放。在额叶CPNs中，D1激动剂通过增加GABA中间神经元的兴奋性增强sIPSCs，D2激动剂显著减少微小IPSCs和突触后GABA反应。D4受体激动剂通过调节PKA/PPI信号级联减少GABA电流。在VTA中，DA通过D2受体和内向整流钾通道抑制DA神经元上记录的GABA_A受体介导的IPSCs。在外侧苍白球（GPe）中，DA通过D2受体在背外侧和腹内侧亚区发挥突触前抑制，在背内侧和腹外侧亚区D4受体诱导突触后抑制。GABA能MSNs通过轴突侧支相互连接，DA在侧向抑制中起重要作用：D1受体激动剂易化而D2受体激动剂抑制MSNs间的GABA电流。在分离的MSNs中，DA通过D1受体激活PKA/DARPP-32/蛋白磷酸酶1（PP1）信号级联减少突触后GABA电流，靶向GABA_A受体β1亚基。D1受体是参与GABA电流调节的主要D1样受体亚型。GABA通过位于突触前末梢的GABA_A和GABA_B受体也调节DA释放：GABA使DA神经元轴突去极化但减少轴突峰电位幅度、限制其传播并通过Na?通道失活和峰电位分流减少DA释放。纹状体内的环境（紧张性）GABA也参与DA释放调节，星形胶质细胞上的GABA转运体（GAT1和GAT3）通过支持GABA摄取在紧张性GABA和DA释放调节中发挥重要作用。

6. DA-谷氨酸相互作用在大脑中的意义

DA参与多种正常功能：运动控制、注意、奖赏预测误差、食欲性学习、记忆巩固、警觉状态等。当DA浓度低于或高于正常水平时，大脑功能失调，表现为PD、HD、精神分裂症、SUD、严重抑郁、快感缺失等神经和精神疾病。在突触前水平，DA D2受体调节皮层纹状体通路中谷氨酸的释放并可能发挥神经保护作用；在突触后水平，DA通过调节离子通道改变内在兴奋性，结果取决于膜电位。

6.1 DA、大脑发育与突触发生

D1和D2受体基因的mRNA表达先于DA神经支配，提示这些受体在大脑发育中发挥作用。D1家族受体在胚胎期表达，可能在塑造大脑皮层中起作用。DA受体影响胚胎皮层发育期间GABA中间神经元的迁移：D1受体激活促进细胞迁移，D2受体激活减少迁移。D1或D2受体激活增加MSNs的树突分支和棘数量。NMDA和D1受体之间的弱而短暂的相互作用在发育大脑中发挥结构和功能作用，在发育早期更高，促进NMDA-D1受体复合物的形成，有利于NMDA受体簇和突触发生，此作用不依赖DA受体信号。在新生期而非成年期阻止此相互作用改变雄性小鼠体内自发神经元网络活动模式。

6.2 DA-NMDA受体相互作用与突触可塑性

DA-谷氨酸受体相互作用在纹状体突触可塑性中起关键作用。LTD似乎依赖于D1和D2受体的激活。LTD诱导的一致性和条件依赖性因记录条件、刺激参数和纹状体内位置而异。在更完整的制备中，阈下强直皮层刺激后观察到LTP而非LTD。D1受体激活是LTP诱导所必需的：NMDA受体依赖性LTP被DA耗竭和D1受体拮抗剂阻断，不受D2受体拮抗剂影响；在DA耗竭的脑片中，D1受体激动剂可恢复LTP诱导能力。在海马中，晚期LTP强烈依赖DA。根据突触标签与捕获模型，弱刺激仅诱导早期LTP，而强刺激需要蛋白质合成以允许晚期LTP。编码前海马内输注D1拮抗剂损害24小时后测量的新奖赏-位置关联记忆，但对30分钟时的早期记忆无影响。DA还增加蛋白质合成，特别是GluA1 AMPA受体亚基，从而启用DA依赖性LTP。

6.3 物质使用障碍（SUDs）

滥用物质通过直接或间接机制激活VTA神经元，导致其投射靶区特别是NAc中DA信号增强。反复物质暴露在mesolimbic及相互连接的神经回路中诱导持续性神经适应，促成药物寻求和摄取，在成瘾后期导致强迫性药物使用和戒断后高复发风险。阿片类药物中DA和NMDA受体均起关键作用，NMDA受体的GluN2B亚基对阿片成瘾至关重要。酒精使用障碍（AUD）中，酒精通过阻断漏K?通道引起VTA DA神经元剂量依赖性兴奋，VTA激活主要导致NAc中DA水平增加。酒精直接抑制全脑NMDA受体；为对抗兴奋性降低，DA通过D1受体激活VTA神经元。GABA神经传递在AUD中也起重要作用，酒精通过μ-阿片受体减少VTA神经元的GABA输入，进一步促进VTA DA神经元放电。NAc直接通路MSNs中兴奋性神经传递增强，依赖于D1受体和mTORC1信号通路。纹状体D1受体激活是酒精刺激所必需的，此效应在纹状体D2受体低的小鼠中增强，这是AUD的易感因素。酒精暴露导致GluN2B亚基上调。D2-GluN2B复合物在吗啡成瘾中增强，伴随细胞外信号调节激酶（ERK）信号损伤，脑渗透性干扰肽可破坏D2-GluN2B复合物从而减少成瘾样行为。D1和NMDA受体的同时刺激驱动D1/GluN1受体亚基复合物的形成；阻断D1/GluN1结合可防止D1受体介导的NMDA-Ca2?内流易化和随后的ERK激活。D1/GluN1复合物控制D1受体依赖性NMDA受体介导电流和LTP的增强，纹状体内递送该肽不影响对可卡因的急性反应但减少行为敏化。可卡因处理小鼠的D1-MSNs显示持续核Ca2?增加；破坏D1-MSNs而非D2-MSNs的核Ca2?增加可阻断可卡因诱导的MSNs形态变化和基因表达，并减弱可卡因奖赏效应。

6.4 精神分裂症

精神分裂症中DA-NMDA受体相互作用的作用尤为突出。阳性症状似乎由过高的DA水平引起，阴性症状由过低的DA水平引起。前额叶皮层中的D1受体对工作记忆很重要：前额叶皮层D1受体下调产生严重的工作记忆损伤，短期联合给予D1激动剂可逆转这些缺陷。D1受体正变构调节剂DPTQ在猴中提供长期工作记忆改善。NMDA受体拮抗剂如氯胺酮和苯环利定可重现精神分裂症症状。氯氮平刺激前额叶皮层DA和谷氨酸释放，通过D1受体激活增强NMDA受体介导的反应。长期给予第二代抗精神病药诱导突触后上调，主要通过插入缺乏GluA2的Ca2?可通透性AMPA受体。D4受体KO小鼠显示自发突触电流频率增加以及致癫痫剂诱导的阵发性放电的频率和持续时间增加，表明D4受体作为额叶皮层谷氨酸活性的抑制性调节因子。在Disc-1精神分裂症模型中，研究人员观察到雄性特异性的兴奋性与抑制性突触事件比率增加。

6.5 重度抑郁障碍

额叶皮层和奖赏系统中DA水平降低可导致抑郁症状和快感缺失。DA和NMDA受体是重度抑郁障碍（MDD）的主要参与者。传统MDD治疗包括增加儿茶酚胺水平的药物，近期治疗进展转向阻断NMDA受体。非竞争性拮抗剂如氯胺酮和艾司氯胺酮通过阻断NMDA受体（主要在皮层中间神经元中）和激活mTOR通路，显示出疗效和快速缓解抑郁症状。重复θ爆发经颅磁刺激（iTMS）背外侧前额叶皮层增加纹状体DA水平并产生快速抑郁症状缓解。重复TMS通过激活背内侧前额叶皮层中特定类别的CPNs即端脑内（IT）型投射神经元产生治疗效果。

6.6 帕金森病

DA神经元的进行性丧失和谷氨酸神经传递的失调以及直接和间接MSN通路的失衡导致PD的特征性体征。DA神经元损伤研究中观察到皮层纹状体突触活动增加以及缝隙连接通讯增强。缝隙连接通讯增强可增强基底节同步性和β振荡活动，这是PD运动缺陷的基础。PD患者死后组织中，主要神经缝隙连接蛋白connexin-36在壳核、GPe和GPi中较对照组增加。缝隙连接通透性增加可能是PD基底节同步性的重要因素。在parkin缺陷小鼠中，观察到与黑质纹状体通路功能障碍一致的行为和突触变化，但parkin缺陷不改变黑质DA神经元存活。在α-突触核蛋白过表达的manifest前PD模型中，观察到MSNs中自发EPSCs频率降低和诱发EPSCs的刺激阈值升高，提示皮层纹状体突触处神经递质释放减少。该模型中DA变化呈双相：6月龄时纹状体紧张性DA浓度增加伴随旷场活动增加；14月龄时DA浓度降低伴随感觉运动缺陷。在左旋多巴诱导的运动障碍（LIDs）中，使用Tat偶联干扰肽解偶联D1和GluN1受体的物理相互作用可减轻运动障碍行为并下调DARPP-32磷酸化。LID诱导间接通路MSNs中GluN2B-containing NMDA受体的上调，敲低iSPNs中Grin2b mRNA的表达显著减弱LID的发展和表达。使用光遗传学，治疗益处主要源于对从运动皮层第V层投射至STN的传入轴突的直接选择性刺激。化学遗传学中，脚桥被盖胆碱能神经元的选择性兴奋激活残余黑质纹状体DA神经元并导致运动恢复，与纹状体DA改善相关。目前至少有七项临床试验（均在中国）使用DREADDs作为多种神经疾病的潜在疗法，包括一项PD患者试验。

6.7 亨廷顿病

在HD早期阶段，DA神经传递增加导致多动运动，可通过耗竭DA储存缓解；晚期DA缺陷产生运动减退。DA神经传递的改变影响谷氨酸受体调节，可能导致兴奋性毒性和行为灵活性缺陷。研究人员首先描述了谷氨酸能CPNs和GABA能MSNs之间的进行性断连，可能是纹状体神经元应对过度兴奋性皮层的结果。作为对抗过度兴奋的辅助机制，MSNs中自发GABA突触活动增强，小白蛋白和生长抑素表达的中间神经元均有贡献。皮层纹状体断连的意外后果是突触和树突棘丢失，导致释放的谷氨酸优先激活突触外NMDA受体并对MSNs产生毒性。早期D2受体丢失可易化谷氨酸释放，可能加剧纹状体MSNs的谷氨酸毒性。HD早期DA水平高时，D1受体和直接通路MSNs过度活跃。D1受体的下游靶点Fyn蛋白（Src激酶家族成员）在HD模型中减少，导致突触GluN2B-containing NMDA受体磷酸化减少和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）激活减少，有利于细胞死亡。活性Src激酶的表达促进CREB激活、减少caspase-3激活并重新建立YAC128小鼠纹状体神经元中突触NMDA受体的定位。D1和组胺H3受体异源复合物在HD早期阶段表达且有功能，H3拮抗剂在小鼠模型中显示神经保护和改善学习及长期记忆缺陷。

7. 未来展望与未解决问题

经过60多年的研究，DA调节领域仍有广阔前景。基因编码的GPCR激活型DA（GRAB_DA）指示剂如dLight1、dLight3和GRAB_DA允许在行为动物中以亚细胞分辨率、毫秒级动力学和改善的分子特异性快速准确测量DA动态。谷氨酸传感器如基于强度的谷氨酸感应荧光报告子（iGluSnFR）也存在。单细胞RNA测序（seq）鉴定了25种分子定义的人类细胞类型。通过Slide-seq在对照人类和PD患者中鉴定出至少十组DA神经元，其中一群特异表达对该疾病高度易感的基因。单细胞空间转录组学和DA神经元转译组学分析允许在空间背景下表征DA神经元及其他27种细胞类型。锌指蛋白（ZFPs）和CRISPR/Cas9可用于纠正HD中异常的CAG三核苷酸扩增，同一系统已用于纠正PD临床前模型中的基因突变如LRKK2。使用iPSC来源的DA细胞的I/II期临床试验已证明可行性、细胞存活、DA产生和无肿瘤形成。研究人员实验室证明在HD遗传小鼠模型纹状体中植入人胚胎干细胞来源的神经干细胞（hNSCs）可改善HD表型，这些细胞长期存活、整合到宿主纹状体、分化为MSNs和中间神经元并与其他MSNs形成突触连接。一项由Leslie M. Thompson博士领导的I/II期临床试验正在评估hNSCs植入HD患者的安全性。仍存在的问题包括：通过容积传递理解DA对大型神经元群体的调节；DA在突触和突触外水平调节中胶质细胞的作用；GluN2B亚基在突触外位置的兴奋性毒性作用及其与D1受体激活的关联。

8. 结论

DA和DA-谷氨酸受体相互作用的研究继续吸引全球神经科学家。过去60年对其多种效应及其在广泛正常功能和大量病理状态中的作用有了大量了解。DA及其与谷氨酸受体相互作用的研究已被证明是富有成果的领域。未来的研究将带来更多惊喜，并为越来越多的神经和精神疾病的治疗开辟新途径。