Science | 颠覆教科书：去甲肾上腺素原来不直接调控神经元！星形胶质细胞才是幕后操盘手

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-05-22 16:35

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为了更直接地验证这一结论，研究人员进行了最小刺激实验，通过全细胞膜片钳技术记录单个突触的兴奋性突触后电流 (excitatory postsynaptic currents, EPSCs)。在这种极低的刺激强度下，突触前神经元有时会释放神经递质（成功），有时则不释放（失败），通过计算失败率可以反映突触前释放概率。实验结果显示，施加20 µM NE后，记录到的成功传递的EPSC幅度（反映突触后效能）没有显著变化，但突触前传递失败的比例显著增加（从基线的大约32%增加到NE作用后的64%），这直接证明了NE确实通过降低突触前神经元的神经递质释放概率来抑制突触强度。

最后，研究人员使用光遗传学 (optogenetics) 技术，特异性地刺激产生NE的蓝斑核神经元纤维，模拟内源性NE释放。他们在表达Cre重组酶的小鼠蓝斑核中注射携带光敏感通道蛋白（ChR2）的病毒，使LC神经元表达ChR2。12周后，在海马切片中用光刺激LC神经元纤维（使用450 nm的光，1 Hz频率，持续10分钟）。结果观察到，即使是如此低频的光刺激，也导致了fEPSP斜率的适度但持续下降，同时伴随PPF的等量升高。这与施加外源性NE的效果一致，表明内源性释放的NE也能通过降低突触前效能来抑制突触传递。

谁在接收 NE 的信号？不再是唯一的答案

既然确定了NE通过影响突触前释放来降低突触强度，那么NE是与哪个受体结合来实现的呢？传统观点认为肾上腺素能受体是关键。肾上腺素能受体主要分为α1、α2和β三个亚型。研究人员通过药物阻断实验发现，使用α1-AR拮抗剂prazosin（1 µM）或特异性的α1A-AR拮抗剂silodosin（50 nM）可以完全阻断NE引起的fEPSP下降和PPF升高。而α2-AR拮抗剂yohimbine或β-AR拮抗剂propranolol，单独或联合使用，都不能阻断NE的作用。特异性的α1A-AR激动剂A61603（70 nM）则可以模仿NE的作用，导致fEPSP下降和PPF升高。这些药理学证据强有力地表明，在海马CA1区域，NE对突触功能的调控主要依赖于α1A-AR。

然而，这里出现了一个“反直觉”的矛盾。α1A-AR属于Gq偶联受体，其激活通常被认为会促进细胞内钙释放，在神经元中激活Gq通常会增强突触前钙内流，从而促进神经递质释放，导致突触易化而非抑制。事实上，研究人员通过化学遗传学方法特异性激活突触前神经元表达的Gq偶联受体hM3d(Gq)后，观察到的是突触前释放概率的增加，与NE的作用完全相反。

另外，NE对突触的抑制效应（IC50大约3.5 µM）所需的浓度比NE与α1A-AR的结合亲和力（大约0.28 µM）高出12倍，这也提示NE的作用可能不是简单地通过直接作用于突触前神经元上的α1A-AR来实现的。这些矛盾之处促使研究人员思考：NE是否通过一个比传统模型更复杂的机制来影响突触功能？

星形胶质细胞的秘密武器：钙信号的“开关”作用

考虑到星形胶质细胞也表达α1A-AR并对NE作出钙反应，并且它们能够调控突触功能，研究人员提出了一个大胆的假设：NE可能首先作用于星形胶质细胞的α1A-AR，诱发星形胶质细胞的钙信号，进而由星形胶质细胞释放某种信号分子来调节突触功能。

为了验证这个假设，研究人员首先确认了星形胶质细胞对NE的反应。他们使用双光子显微镜 (two-photon laser scanning microscopy, 2-PLSM) 记录了海马切片中星形胶质细胞的钙活动。在施加20 µM NE后，观察到几乎所有视野内的星形胶质细胞都出现了细胞范围的钙升高，这种反应也是浓度依赖性的。重要的是，特异性α1A-AR拮抗剂silodosin能够显著抑制NE诱导的星形胶质细胞钙升高，证实了星形胶质细胞的钙反应确实由其上的α1A-AR介导。此外，silodosin本身也影响了星形胶质细胞的自发钙活动，并改变了突触的基线强度和PPF，这暗示星形胶质细胞的α1A-AR可能参与了对突触的持续性调控。

更关键的是，如果星形胶质细胞是NE调节突触的必经之路，那么阻断星形胶质细胞的钙信号就应该能阻断NE的作用。研究人员使用了多种方法来抑制星形胶质细胞的钙信号。首先，他们通过病毒载体在海马CA1区域的星形胶质细胞中特异性表达了iβARK，这是一种Gq偶联受体抑制剂，能够阻止Gq偶联受体激活下游的钙信号通路。免疫荧光染色证实，iβARK在92%的海马星形胶质细胞中特异性表达。在这些表达iβARK的切片中，星形胶质细胞对NE的钙反应被显著抑制，只剩下大约25%的基线反应。随后进行fEPSP记录发现，NE在对照组切片中引起了预期的突触抑制和PPF升高，但在表达iβARK的星形胶质细胞切片中，NE对fEPSP斜率和PPF的作用被大大减弱，其抑制效应平均只剩下大约4.8%，相当于对照组效应的16%。尽管仍有残余效应，但考虑到iβARK未能完全阻断星形胶质细胞的钙反应，这个结果已经非常支持星形胶质细胞是NE作用所必需的。

为了排除单个方法的局限性，研究人员又使用了另外两种独立的抑制星形胶质细胞钙信号的方法：CalEx（促进钙外流）和thapsigargin（耗竭内质网钙库）。这两种方法在机制上完全不同，但都显著抑制了星形胶质细胞对NE的钙反应。结果也惊人地一致：无论使用CalEx还是thapsigargin，NE对突触的抑制作用都几乎消失了。这三种独立的实验方法都指向同一个结论：阻断星形胶质细胞的钙信号，“锁死”了它们对NE的响应，NE对突触的调控作用也随之失效。这有力地证明了星形胶质细胞的钙动力学在NE调控突触功能中扮演着“门控”（gating）的关键角色。

推翻传统：神经元自身的 NE 受体并非必需！

既然星形胶质细胞如此重要，那么传统观点中神经元自身的NE受体（α1A-AR）是否仍然必需呢？这可能是整个研究中最“颠覆”的地方。研究人员决定通过基因敲除的方法，特异性地从神经元或星形胶质细胞中删除α1A-AR基因 (Adrala)。

首先，他们在α1A-AR基因两侧插入loxP位点的fl/fl小鼠海马CA3和CA1区域注射病毒，在神经元中特异性表达Cre重组酶（病毒为AAV5-hSyn::Cre-GFP）。hSyn启动子保证Cre主要在神经元中表达。免疫荧光染色证实，在CA3和CA1区域，88%和89%的NeuN阳性细胞（神经元）表达Cre-GFP。基因组DNA分析也显示，在病毒注射的海马区域，神经元内的Adrala基因发生了有效的Cre介导重组。