哈佛中国学者攻克半世纪难题：揭示多巴胺释放和调控机制，发现远端轴突中的动作电位启动，即将归国就职

“该论文的直接意义在于， 回答了多巴胺在轴突末梢的释放和调控问题。我们发现乙酰胆碱可以直接在多巴胺神经元末梢诱发动作电位， 并与多巴胺的同步释放，从而对运动实现精细调控。”对于自己的最新 Science 论文，刘长亮总结称。

 

图 | 刘长亮（来源：刘长亮）

同时，该论文更深层次的意义在于，如能认识到多巴胺作用的本质，那么将来完全可以绕过多巴胺系统去治疗相关疾病。即我们对事物的理解越清楚，可以干预的手段就越多。基础研究的魅力就在于此。

 

早在 20 世纪 70 年代，人们就开始研究多巴胺系统，那时就已发现如果刺激胆碱系统（cholinergic system），能够让多巴胺的末梢释放变得特别强。当时，大家以为只是末端调控（terminal regulation）。到 2000 年左右，学界逐渐发现胆碱系统的活动可能会直接诱发多巴胺的释放。

但在那时，技术不成熟，只能使用电刺激，该方法对刺激目标不具备选择性，这让很多问题无法得到解释。到 2010 年左右，光遗传等技术逐渐成熟，牛津大学的斯蒂芬妮·克雷格（Stephanie Cragg ）实验室发现，利用光遗传的办法直接刺激胆碱系统，居然能看到多巴胺 ¹ 。但是，她并没有对机制深究下去。

 

刘长亮说：“她虽然是圈里的领军人物，但依我来看走了弯路，她对这个现象进行了很多细节描述，也提出了一些功能假说， 但一直没有对机制做出合理解释。”尽管如此，这位前辈的研究也给他提供了大量素材。

刘长亮早期研究经典突触的生物物理，2015 年，他开始对多巴胺的释放感兴趣，这类神经元的末梢比较特殊，不形成典型突触，他想看看神经递质（neurotransmitter）在没有突触结构的情况下如何释放。刘在研究中也注意到了胆碱能神经元对多巴胺释放的巨大影响。但检索后发现早有文献报道过，不过他也发现有很多“奇怪事”。多巴胺的合成和存储都在自己的轴突里完成，但外源的乙酰胆碱却控制着大部分的多巴胺释放，这就很不可思议。当时 Cragg 团队已经证明这是一个直接诱发的过程，刘认为他们很快会进行机制方面的探索，他也就没有再跟进。

刘长亮当时的首要目标是鉴定亚细胞水平多巴胺释放的时空结构 ² ，   几年后，课题完成，但刘却发现乙酰胆碱诱发多巴胺释放这一现象没有实质进展。读完所有相关文献，刘长亮认为在整个过程中如果多巴胺的轴突产生一个动作电位基本上可以解释所有“奇怪事”。理论就可以自洽，难就难在神经元一般“不干这个事”。神经科学的奠基人 Ramón y Cajal（1906 年诺贝生理医学奖得主）认为神经元是分极性的，接受信号是通过树突和胞体，发出信号则通过轴突，因此轴突相当于一个电缆（cable），只应单向传递信号，而不应接收信号。

一百多年来，大家其实也见过反向传递的情况。例如，癫痫病人脑内会产生反向传递。脑内还有一些特殊的神经元，如果持续刺激超过 20 分钟，也能逐渐从末梢产生反向传递。不过，这些都是比较极端的情况，所以大家一般认为大部分神经元还是单向传播，而反向传播则可能是一种病态表现。

刘长亮说： “这是我们当时遇到的最大阻碍，要做这个事就得挑战经典理论。 其中最重要的一环是测试这种现象能否能在不额外施加刺激的情况下发生。 因为刺激诱发的反应，只能说明神经元具备这种功能并不能说明神经元的实际工作情况。 ”

 

当时，刘长亮也没有特别好的办法去观测自发的乙酰胆碱造成的多巴胺释放，只能用电化学方法，该方法的敏感度还不错，但由于每次只能记录一个点，如果用来观测自发释放（spontaneous release），产生信号的概率很低。刘长亮认为最好可以观测到一个面、甚至一个三维区域，但前提得有相应的技术手段，不然就只能一个点一个点地筛查。2018 年底，北大李毓龙团队开发了一种多巴胺分子探针，当与多巴胺结合之后会变亮³。“这其实非常符合我们的要求，所以我们也借了他们技术的东风，最终观测到了多巴胺自发释放。否则这个过程一定是比现在艰苦十倍。”刘长亮表示。

 

3 月 24 日，相关论文以《控制多巴胺释放的远端轴突中的动作电位启动机制》（An action potential initiation mechanism in distal axons for the control of dopamine release）为题，发表在 Science⁴。其中一位审稿人评价称，该成果令人“耳目一新”。

图 | 相关论文（来源：Science）

参加戈登会议，偶遇关键“合伙人”

在证明该调控在体存在以后，刘长亮其实已经心里有底：现在只要能把多巴胺轴突上的动作电位记录下来就可以结束研究。为此，刘长亮打造出一种测量神经元群体放电（population firing）的新方法。通过光遗传和碳纤维电极，他记录到微伏级的场电位的波动并用药理学方法证明这是放电波形。其表示：“当时心里就很有底了，唯一的问题是这种信号是群体电活动，不是单个轴突的行为，如果能记录到单根轴突的动作电位（axonal action potential），这项研究就可以完美收官。”神经学领域有一个常规技术叫做膜片钳，它一般用于记录 20 微米左右的神经元胞体，但却很难记录轴突（axon），因为轴突只有 1 微米，这时做记录就好比在非常小的范围里做手术。

 

（来源：Science）

 

2019 年，刘长亮参加戈登会议，该会议的前身是约翰·霍普金斯大学一位教授举办的暑期化学研讨会。他回忆说：“当时，刚好有一位小哥也在做轴突记录（axon recording），对方所在团队最擅长的是记录轴突的放电，但他们不做多巴胺。所以我们就想，既然你有这种技术，那么就能把它转移到多巴胺上。他们听到故事也觉得很兴奋，然后就开始合作。”

 

“随后，刘长亮把实验动物给对方，并教他如何识别多巴胺末梢”。合作团队的电生理技术非常过硬，几个月后对方果然记录到一个动作电位，这等于基本上把问题“坐实”了。

 

不过刘长亮认为，即便到这一阶段，该成果依然属于纯粹的电生理学研究，如果把论文投在 Science 或 Nature 会比较冒险，但是故事已经相当不错。这时他心想，既然该调控在体存在，一般就会有对应的功能。所以他在此基础上，做了一些行为实验。

 

（来源：Science）

 

2020 年 3 月，第一批行为实验完成，期间他同步记录了在体多巴胺和乙酰胆碱的波动以及动物的自由运动。后来因为新冠疫情导致所在城市封城，不过刘长亮说：“但这对于我来说，反而是一个好事。分析行为有两种思路，一种是所谓的经典范式，即设计一个系统让动物去按照我的意愿做事情，然后我再去想象动物脑内想了什么事情。另外一种是不去干预动物，它愿意干啥就干啥，但是在分析上下很大功夫。后来，我通过一些人工智能方法来描述动物行为，这样就有望把某一行为模式和所感兴趣的信号配对。”

 

封城期间，刚好刘长亮在屋里也没事，于是干脆用人工智能的办法去分析动物行为，他把已获取的信号铺在一起，不断地迭代和分析。后来发现，多巴胺的释放与动物移动方向高度相关。“至此这个故事就非常好了，既有扎实的电生理分析，也有行为学研究。迅速截稿，投出，之后就很顺利了，中间基本上只经历了三个月左右。”他说。

 

对于研究过程，他认为自己运气特别好，正发愁没有某种工具时，好像没隔多久就会有人发明相关技术。他说：“运气特别好的是，我朋友圈正好有人认识相关的研究者。我感觉从来没有做过这么顺利的研究。当然挫折肯定有，做科学研究都是失败居多，已经习惯了。”

 

（来源：Science）

 

将入职西湖大学

在未来计划上，一方面刘长亮正在继续研究动作电位在末梢起步之后的情况，比如是否能回传到胞体。多巴胺神经元比较特别，除了能够在末梢释放，在胞体和树突上也能释放。最近大家意识到这种释放与帕金森疾病的联系密切，这就相当于是双向调控，在胞体产生的动作电位传递到末梢释放，而在末梢上产生的动作电位也有可能传递到胞体在胞体上释放，因此这是一个矛盾，也是有待他去研究的对象。

 

长远来看，现在只是“蜻蜓点水”地证明了该调控可能产生的作用，但是多巴胺系统到底怎么发挥作用仍不清楚。具体研究步骤上，他当然会从运动入手，运动相对简单一点，因为它是一个客观描述。但是，多巴胺系统往往跟学习记忆和奖赏系统，例如毒品成瘾等心理认知层面的东西相关，所以这也是刘长亮接下来要涉及的研究领域。

 

（来源：Science）

 

据悉，该团队由哈佛大学帕斯卡尔·凯泽（Pascal Kaeser ）领导（其导师是 2013 年诺奖得主托马斯·C·苏德霍夫）。该课题组主要研究神经传导的基本原理。神经元之间靠突触联系，这是一个计算的基本单元，突触传递的基本过程如下：神经递质被包裹在一些囊泡里，当动作电位到来，一套蛋白组件将囊泡推到膜外，两个膜融合到一起，然后神经递质就会释放。

 

刘长亮博士阶段做的是在体多巴胺神经元编码，对分子的研究较少，于是就加入了该实验室，学习分子生物技术并开发了多种先进电生理和成像方法系统研究多巴胺的释放机制。正好，其导师对没有突触结构的释放很感兴趣。当然，起初的研究很困难，他表示甚至自己连碳纤维都不会制作，当时他把美国市面上比较好的碳纤维试了个遍，结果效果都不好。后来，他逐渐攻克相关技术，期间也得到了合作者的鼎力支持。其表示：“好在我们经费充足，可以去试错，但是最重要的还是项目本身是否值得耗费那么多时间。”

刘长亮现已加盟西湖大学，将组建团队深入研究脑内多巴胺和乙酰胆碱系统的工作原理与相关疾病，欢迎对相关课题感兴趣的读者联络 liuchangliang@westlake.edu.cn

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参考：

1. Threlfell, S. et al. Striatal Dopamine Release Is Triggered by Synchronized Activity in Cholinergic Interneurons. Neuron 75, (2012).

2. Liu, C., Kershberg, L., Wang, J., Schneeberger, S. & Kaeser, P. S. Dopamine Secretion Is Mediated by Sparse Active Zone-like Release Sites. Cell 172, (2018).

3. Sun, F. et al. A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. Cell 174, 481-496.e19 (2018).

4. Liu, C. et al. An action potential initiation mechanism in distal axons for the control of dopamine release. Science 375, 1378–1385 (2022).