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多巴胺(DA)是一种神经递质，在运动和认知功能中具有重要作用。起源于中脑的DA能神经环路中的DA作用，人们已经做了大量研究。DA功能障碍与许多神经和精神疾病的神经病理学有关，包括亨廷顿病、精神分裂症、注意缺陷多动症、自闭症等。有文章报道，这些疾病除了与中脑有关，部分还与小脑损伤有关。小脑通过解剖连接影响多巴胺能神经元的通路发挥作用。小脑还可以通过直接投射到VTA脑区调节多巴胺的释放影响小鼠的奖赏和社交行为。小脑还可以通过调节纹状体的多巴胺的释放影响摄食行为。小脑中先天的多巴胺神经系统可能与这些疾病的病因有关。总之，小脑的多巴胺能神经元系统可能有重要作用。 在早期的啮齿类动物小脑免疫染色和放射自显像研究中，DA能神经纤维分布在整个分子层(ML)。灵长类动物体内放射自显影和PET显示DA与小脑齿状核结合。使用微透析也在大鼠小脑中检测到DA的释放。高效液相色谱(HPLC)定量分析显示小脑存在DA，最近使用质子核磁共振显示小脑存在DA。生理实验进一步表明，DA信号通路与Ca2+介导的去极化与浦肯野细胞(PCs)中的诱导的慢电流有关。这些发现表明小脑中存在一个独立的多巴胺能系统。但是，DA的确切来源和受体的精确分布目前尚不明确。 在这种背景下，2023年03月23日美国阿拉巴马大学伯明翰分校神经生物学系的李伟课题组在发Nature communications发文揭示多巴胺能浦肯野细胞投射到星形胶质细胞调节小脑依赖行为。
首先，课题组将Drd1-tdTomato、Drd2-EGFP两种转基因的小鼠做了脑片发现，含D2受体的细胞在小脑分布很少，但是含D1受体的细胞在小脑伯格曼神经胶质细胞（呈放射状分支）分布很多。将带荧光的含D1受体的细胞和星形胶质细胞的标记物GFAP能共标，但是和浦肯野细胞标记物不能共标，因此可以确定D1受体表达在伯格曼神经胶质细胞（BGs）。将带荧光并含D1受体的脑片进一步做了生物胞素免疫荧光发现能共标。将带荧光并含D1受体的脑片进一步做了D1受体的免疫荧光发现能共标。将生物胞素和D1受体双标，发现也能共标。课题组又做了小脑的原位杂交发现，Drd1a mRNA 确实位于浦肯野细胞层（PCL）和分子层(ML)的边界。将带荧光并含D1受体的脑片进一步做了DAT1（多巴胺转运体1）免疫荧光发现也能共标。这组实验从多个层面证明了D1受体确实分布在小脑伯格曼神经胶质细胞。
然后，CYP2D是一种细胞色素，可以代谢酪氨酸生成多巴胺，CB是浦肯野细胞的标记物，CYP2D和CB能共标说明：有可能在浦肯野细胞里生成多巴胺。然后用DA的生物探针dLight1.1在星形胶质细胞里发现了有多巴胺。当用DA刺激时，dLight1.1的信号立刻增强，并且随刺激浓度增高信号增强；当给予D1受体的拮抗剂(SCH23390)刺激时，多巴胺的释放立刻减少，说明这个DA的生物探针dLight1.1是十分敏感的。氟西汀是CYP2D的抑制剂，当在体或离体给予氟西汀刺激时，DA的信号立刻减弱。这说明小脑的浦肯野细胞中DA不是通过经典途径合成的，并且多巴胺的释放有活动依耐性。 课题组给Pcp2-Cre（表达在BGs的浦肯野细胞上）的小鼠注射DIO-Gq的病毒，结果发现用化学遗传的方法兴奋BGs的浦肯野细胞使得动作电位诱发的DA释放增多。然后课题组用了VMAT-2（单胺囊泡转运体2）的抑制剂利血平（Reserpine）刺激，发现多巴胺的信号减弱，说明多巴胺的释放和VMAT-2有关。然后课题组又在体观察了纹状体和小脑多巴胺释放的频率和强度，发现二者的多巴胺的释放没有关联性。这组图证明了：小脑的浦肯野细胞可以通过非经典途径合成并释放多巴胺，释放模式不同于纹状体。
课题组又在小鼠的BG细胞上做了膜片钳观察静息膜电位，发现给了D1R的激动剂（SKF）时静息膜电位升高。为了观测D1R激活对钙信号的影响情况，在BGs注射了GCaMP6f，在给予D1R的激动剂（SKF）时，钙信号活动明显增强；为了探索是由于细胞内内质网释放的钙离子，给予SKF后继续给予IP3R(三磷酸肌醇，内质网的钙离子信号通路受体)的拮抗剂2-APB时，钙信号的剧烈变化被消除，说明是细胞内的钙离子流动引起的钙信号变化。给予D1R的拮抗剂（SCH）时，钙信号频率减少，幅度没有变化。 接着，课题组又用化学遗传学的方法在BGs细胞上同时表达Gq和GCaMP6f，发现给予CNO激活兴奋Gq时，钙信号活动幅度和频率均增强；当再次给予IP3R的拮抗剂2-APB时，钙信号的剧烈变化又再次被消除。这组实验证明了：D1R激活参与了BG细胞中膜去极化，IP3R介导的钙信号的变化。
然后，课题组将AMPAR的亚型（GluA1、GluA2、GluA4）分别和星形胶质细胞和浦肯野细胞进行了双标，发现GluA1、GluA4表达在BGs细胞上，GluA2表达在浦肯野细胞上。WB检测SKF激活D1R前后，GluA1、GluA4表达无差异。表面生物素化测定发现SKF激活D1R后，GluA1、GluA4增多。并且SKF激活D1R后导致的GluA1高表达可以被PKA（PKA参与D1R介导的GluA1在神经元内运输）的抑制剂（Rp-cAMP)逆转。当敲除BGs的D1R受体发现GluA1、GluA4表达减少，GluA1表达不受影响。这组实验证明了：D1R调节BG细胞上AMPAR亚型在细胞膜上的稳态和嵌入分布。
接着，课题组记录浦肯野细胞自发的IPSC和EPSC，结果发现，给予D1R受体的激动剂SKF刺激以后，自发的兴奋性突触后电位的频率增大，自发的抑制性突触后电位的频率减小。电位幅度无明显变化。这组实验表明：通过激活D1R调节BG细胞总体上发挥对浦肯野细胞的抑制作用。
随后，课题组又检测了D1R敲除后小鼠的运动功能变化，结果发现小鼠的运动总距离、转棒、抓力均明显下降。当给予正常小鼠D1R的激动剂(SKF)微量泵注射后，小鼠的总运动距离增加，运动能力增强。延迟性和痕迹性条件眨眼反射在习得、消退、调取、保留等阶段均没有明显差别。这组实验证明了：小鼠D1R敲除后，运动功能下降，但条件性眨眼反射并未受影响。
最后，课题组又检测了D1R敲除后小鼠的社交变化发现：D1R敲除后社交减少。已知社交损害程度和mTOR呈正相关。D1R敲除后，mTOR的磷酸化程度增加；在正常小鼠中，用D1R的激动剂SKF处理的切片，mTOR的磷酸化程度降低，在SKF刺激基础上，再用D1R的抑制剂SCH处理切片时，mTOR的磷酸化程度再次升高。这组实验证明：小脑中的多巴胺能的活动通过影响mTOR信号通路在社交行为中起关键作用。 综上所述，这篇文章揭示了小脑多巴胺系统的分子、细胞和环路机制。发现浦肯野细胞以活性依赖的方式合成和释放DA。释放的DA与BGs中的D1R结合，促进膜去极化、Ca2+信号通路和膜插入AMPAR GluA1亚基。这些作用可能会触发BGs释放谷氨酸，从而增强神经元间活性，减少攀爬纤维和平行纤维到浦肯野细胞的突触传递。投射到浦肯野细胞的改变调节了它们的放电频率和模式，最终影响了运动能力和社交行为。小脑多巴胺系统在与运动和社会功能障碍相关的疾病中具有重要的病理生理作用。  https:///10.1038/s41467-023-37319-w |
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