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神经元通过树突接受输入信号，通过轴突输出信号。中脑多巴胺神经元以广泛的分叉轴突支配纹状体，在纹状体神经元中，中间神经元释放乙酰胆碱（ACh），其轴突与多巴胺神经元的轴突交织在一起。多巴胺轴突表达高水平的尼古丁乙酰胆碱受体（nAChRs），这些受体的同步激活可以直接驱动多巴胺的释放。
然而，由于神经递质释放的指令通常来自胞体，来自哈佛医学院的Kaeser教授对nAChR的激活如何转化为多巴胺的释放，以及这一过程是否代表多巴胺系统真正的调节进行了研究。
纹状体胆碱能系统“广播”多巴胺的释放
我们在中脑多巴胺神经元中表达了GRABDA（基于D2受体的多巴胺传感器）和GRAB（基于G蛋白偶联受体的激活），并监测纹状体切片中的荧光变化（图1A）。在自发情况下，可检测到多巴胺的释放，该释放对DHβE（β2的nAChRs的阻断剂）敏感（图1A-E）。由于该纹状体切片制备中不存在胞体，因此检测到的释放与胞体无关。
使用GRABACh（一种基于M3受体的ACh传感器）的相应策略，也检测到自发ACh释放（图1F，G）。乙酰胆碱释放的频率比多巴胺释放的频率高约三倍（图1E，G）。但多巴胺释放覆盖的区域与ACh的区域相比大三倍（图1H）。
我们接下来用电刺激诱发多巴胺和乙酰胆碱释放（图1I-S）。与自发释放的结果一致，nAChR阻断减少了其面积（图1K，O）。当用rGRABDA（一种红移的多巴胺传感器）同时测量ACh和多巴胺释放时，释放面积彼此呈正相关（图1Q-S）。
图1：ACh释放诱导多巴胺分泌扩散
乙酰胆碱和动作电位诱导的多巴胺分泌共享机制
那么为什么多巴胺的释放会扩散到ACh释放的区域之外？我们首先使用显微镜观察发现乙酰胆碱终端与多巴胺轴突交织在一起，但没有发现明显的关联（图2A-B）。原则上，ACh可能通过三种方式触发多巴胺释放：nAChR本身通透Ca离子；nAChR激活低电压门控Ca2+通道；nAChR激活高低电压门控Ca2+通道。
我们开始通过鉴定AChR诱导多巴胺释放的Ca2+来源来区分这些可能性。双重去除多巴胺神经元中的高压CaV2.1和CaV2.2通道，同样减少了ACh诱导的释放和动作电位诱导的释放（图2F-I）。表明在多巴胺轴突中产生异位动作电位很可能是AChR诱导多巴胺释放的必要条件。
图2：ACh促进多巴胺释放的机制与多巴胺神经元动作电位相同
纹状体胆碱能激活诱导远端多巴胺轴突的动作电位发射
为了测试ACh是否能诱导多巴胺轴突发射，我们在多巴胺或ACh神经元中表达ChR2，并记录诱发的多巴胺释放和场电位（图3A）。多巴胺轴突的光遗传激活诱发了强大的多巴胺释放和三相场电位，该场电位被TTX废除（图3B）。
胆碱能系统的光遗传激活产生了类似的三相反应，该反应被DHΒE或6-羟多巴胺（6-OHDA）病变的多巴胺轴突破坏（图3C）。胆碱能激活的DHβE敏感成分的形状与多巴胺轴突刺激的TTX敏感成分相似（图3D，E），表明AChR在多巴胺轴突中诱发了发射。
通过胆碱能激活诱导的电位滞后于多巴胺轴突刺激的5.1毫秒，这与乙酰胆碱诱导的多巴胺释放的时间一致（图3D-F）。单个轴突的发射情况同样证明了这一点（图3G-N）。
图3：nAChR的激活刺激纹状体多巴胺轴突产生动作电位
纹状体乙酰胆碱和多巴胺与运动方向相关联
为了研究乙酰胆碱诱导的多巴胺释放的功能相关性，我们将GRABDA或GRABACh与tdTomato一起表达在右背纹状体中，并通过使用双色纤维光度计监测小鼠探索一个开放领域的相应传输器的动态（图4A）。由于纹状体多巴胺和乙酰胆碱可能在运动开始时发挥重要作用，我们将GRABDA或GRABACh信号与运动开始时对齐。
实验中，小鼠在一个大的舞台上自由行走，不断调整身体姿势和运动方向。纹状体多巴胺和ACh水平与运动方向高度相关（图4C-E）；当动物转向对侧或向前运动（q=0°至120°）时，两者都表现出增加，而当动物转向同侧或向后运动（q=180°至300°）时，则表现出减少。
图4：多巴胺和乙酰胆碱动力学与运动方向有关，阻断nAChR后多巴胺动力学被抑制
纹状体乙酰胆碱对多巴胺动态的贡献
通过注入DHβE局部抑制nAChRs，使多巴胺的波动略有下降（图4G，H）。用DHβE阻断单侧nAChR后，多巴胺波动和运动方向之间的相关性基本保留（图4I）。多巴胺神经元对突出的感觉刺激有反应。
我们通过在开阔场地上以随机的时间间隔施加200ms的闪光来诱发多巴胺的释放（图4J）。局部输液的DHΒE减少了诱发的GRABDA反应（图4K）。当用rGRABDA和GRABACh分别同时监测多巴胺和乙酰胆碱时，光刺激诱发了三相乙酰胆碱反应，乙酰胆碱的最初上升先于多巴胺（图4M）。
总 结
神经元的信息流通过整合树突中的输入，在体部附近产生动作电位，并从轴突中的神经终端释放神经递质来进行。我们发现，在纹状体中，乙酰胆碱释放神经元会诱导远端多巴胺轴突的动作电位发射。胆碱能神经元的自发活动产生的多巴胺释放超出了乙酰胆碱的信号域，并且很容易从多巴胺轴突中记录到响应胆碱能激活的动作电位。
在自由运动的小鼠中，多巴胺和乙酰胆碱与运动方向有关。对烟碱型乙酰胆碱受体的局部抑制损害了多巴胺的动态，影响了运动。我们的研究结果发现了一种独立于体细胞整合的动作电位启动的内源性机制，并确定这种机制在轴突和体细胞之间分离了对多巴胺信号的控制。
参考文献
Liu C, Cai X, Ritzau-Jost A, Kramer PF, Li Y, Khaliq ZM, Hallermann S, Kaeser PS. An action potential initiation mechanism in distal axons for the control of dopamine release. Science. 2022 Mar 25;375(6587):1378-1385. doi: 10.1126/science.abn0532. Epub 2022 Mar 24. PMID: 35324301.
编译作者：喵喵（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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