多巴胺在調節運動、動機、學習和獎賞方面至關重要，多巴胺穩態的功能障礙與帕金森病、精神分裂癥和成癮密切相關。中腦多巴胺神經元通過緊張性和時相性兩種放電方式來釋放多巴胺，作用于多巴胺受體（GPCR）發揮生理功能，但這兩種放電模式如何精準調控多巴胺分泌尚不清楚。多巴胺受體分為1型和2型兩大類，其中多巴胺2型受體（D2R）在突觸前和突觸后均有分布，突觸前D2R為自抑制受體，可以通過Gibg調節VGCC或者GIRK通道來影響多巴胺分泌。近年研究發現GPCR可以感知電壓變化從而調節下游信號轉導通路，然而在生理情況下，D2R能否感知動作電位（APs）頻率或電壓變化而調節多巴胺分泌仍不清楚。

2024年12月28日，生命學院王昌河教授團隊聯合北京大學未來技術學院周專教授團隊在《高級科學》(Advanced Science)雜志發表最新研究成果《動作電位發放模式通過電壓敏感性D2R自受體調控小鼠紋狀體多巴胺分泌》（Action potential firing patterns regulate dopamine release via voltage-sensitive dopamine D2 autoreceptors in mouse striatum in vivo）。該研究發現在生理情況下存在一條GPCR-D2R調控多巴胺分泌的新通路，動作電位頻率/電壓通過直接作用于GPCR-D2R來調節下游電壓門控型鈣通道（VGCCs）的功能，進而調控多巴胺分泌，其中D131是D2R上的電壓敏感位點。這條新通路對多巴胺分泌的調控貢獻可高達50%，提示其具有重要的生理意義，為神經元電活動調控突觸傳遞功能和相關疾病治療提供新理論和新思路。

研究發現，D2R神經興奮依賴性調控多巴胺在體分泌。研究人員在中腦多巴胺腦區向前投射的前腦內側束（MFB）給予不同頻率的電刺激，通過碳纖維電極CFE實時記錄紋狀體的多巴胺分泌，發現D2R的拮抗劑HP和激動劑QP均在低頻刺激下（20 Hz）顯著調控多巴胺分泌，而在高頻刺激下（80 Hz）則無明顯調控作用，表現出明顯的頻率依賴性，這種頻率依賴性在D2R-KO小鼠里消失。以上結果表明，D2R對多巴胺分泌的調控作用受到神經興奮模式的精準調控。

圖1 GPCR-D2R對在體紋狀體多巴胺分泌的調節具有頻率依賴性

研究還發現，D2R神經興奮依賴性調控離體腦片多巴胺分泌。研究人員又在離體腦片進行驗證，D2R激動劑對多巴胺分泌的調節也呈現出嚴格的神經興奮頻率依賴性，D2R-KO小鼠上這種頻率依賴性消失。進一步通過中腦黑質多巴胺神經元鈣電流記錄發現，這種調控依賴于D2R下游的L型電壓門控鈣離子通道（LTCCs）的鈣電流易化作用。以上結果提示，動作電位頻率/電壓通過GPCR-D2R調節下游的LTCCs活性來調控多巴胺分泌。

圖2 腦片GPCR-D2R對多巴胺分泌和下游ICa的調節具有頻率/電壓依賴性

為進一步研究D2R感知膜電位變化的分子機制，研究人員又通過D2R-ACCs-QS、D2R-Gi-bg-IGIRK和D2R-Gαi3q-IP3-[Ca2+]i三個體外重組報告系統，結合神經遞質電化學檢測、電生理記錄和Confocal鈣成像等不同技術手段，發現動作電位發放頻率/電壓可直接調控D2R，并發現D2R上電壓敏感位點D131，該位點在A類GPCR中高度保守，提示動作電位發放模式可能是調控A型GPCR活性的新模式與新機制，即高度保守的D131是GPCR-D2R上的電壓敏感位點

圖3 體外重組D2R-Gi-bg-IGIRK報告系統驗證D2R電壓敏感位點D131

研究人員還將突變的D2R-D131N通過病毒注射到D2R-KO小鼠多巴胺關鍵腦區黑質致密部SNpc，發現在腦片水平，D2R-D131N突變后前脈沖prepulse不再影響D2R激動劑對鈣電流的調控，且D2R激動劑對多巴胺分泌的調節不再具有動作電位頻率依賴性。更為重要的是，通過在體多巴胺電化學記錄，發現D2R-D131N突變后，在低頻20 Hz時D2R拮抗劑對多巴胺分泌調節作用降低約50%，提示在生理情況下，電壓直接作用于D2R調節多巴胺分泌的新通路具有重要生理與病理意義，即生理狀態下D131介導GPCR-D2R對多巴胺分泌的頻率依賴性調控。

圖4 D2R-D131位點介導在體D2R對多巴胺分泌的頻率依賴性調控

該研究通過電化學、電生理記錄和鈣成像等多種技術手段，在在體、離體和單細胞等不同水平，對多巴胺分泌及D2R下游通路進行檢測，發現動作電位發放模式/電壓直接調控D2R的證據，明確D2R上的電壓敏感位點D131及其下游信號通路，即在生理情況下存在一條多巴胺分泌調控的新通路APs­→D2R (D131) ↓→VGCCs­→DA release­。D2R的電壓依賴性在調節多巴胺在體分泌中發揮著關鍵作用，這種現象是否以及如何對健康和患病大腦中廣泛的多巴胺依賴性的運動和非運動行為作出貢獻，值得在未來進行系統性研究。而GPCRs電壓依賴性的普遍性也可能為經顱電刺激、經顱磁刺激等在各種精神障礙（如焦慮、抑郁和藥物成癮）臨床治療中的應用提供新思路和新視角。

圖5 電壓敏感的D2R在體調節多巴胺分泌模式圖

北京大學孫曉璇、尹俐力和喬忠俊博士為論文共同第一作者，北京大學周專教授、張泉峰研究員、西安交通大學王昌河教授、北京大學劉兵、左盼莉博士及北京大學第六醫院孫曉璇助理研究員為本研究共同通訊作者。中國科學院神經科學研究所周嘉偉教授、北京大學李毓龍教授、山東大學于曉教授、美國Northeastern University Diomedes E. Logothetis教授、河北醫科大學張海林教授為本研究提供了必要的實驗材料和幫助。本研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省自然科學基金、國家博新計劃及中國博士后基金等項目支持。