Neuron：神经环路的精细化研究思路——聚焦不同亚细胞定位受体介导不同的行为
随着神经环路的解析细化，人们逐渐发现同一条神经环路可能介导不同的功能，目前发现的可能的机制有：同一群神经元投射到不同亚群神经元、同一脑区不同的神经元亚群投射到相同脑区、同一群神经元传输给下游神经元的信息强度频率等不同。
而来自法国波尔多大学的Giovanni Marsicano团队，也是大麻素系统研究先驱，则从同一条环路上不同亚细胞定位的受体作用来解释这个问题。
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黑质（Substantia nigra, SNr）是基底神经节环路上的重要节点，其被人熟知的是运动控制功能，近年也发现SNr也参与疼痛调节。
临床上发现，大麻素具有治疗疼痛的潜质，但却伴随着运动迟滞等的副作用，而滥用大麻所引起的运动受阻也是欧美国家等发生车祸的主要原因。因此SNr上的大麻素一型受体（Cannabinoid I receptor，CB1R）可能是综合调控两种作用的关键机制。
动物实验中发现，大麻素主要成分四氢大麻酚（Δ9-tetrahydrocannabinol，THC）可以抑制动物的运动和发挥镇痛工作用，作者在SNr局部注射CB1R拮抗剂AM251可以逆转THC的这种效应，并且是通过纹状体（Striatum，STR）→SNr直接通路来实现的（图一）。
图一 STR→SNr通路上的CB1R介导THC的抑制运动和镇痛作用
Giovanni团队前期研究发现CB1R同时分布在神经元的浆膜和线粒体膜上，那么两种位置的CB1R作用是否一致？作者就在SNr局部注射一种无法穿膜入胞的多肽CB1R拮抗剂hemopressin，发现可以大大减弱THC镇痛效应，但是不影响运动抑制效应。
中枢神经系统中由神经元释放的P物质可以通过NK1受体引起疼痛，实验发现无论全身还是SNr局部给与NK1受体拮抗剂GR73632，都可以显著抑制THC的镇痛效应。
随后作者在体外构建了“嗅探细胞”——通过GCaMP6s检测细胞周围P物质的含量变化，并把它们种在STR→SNr急性脑片上，结果发现用WIN55,212-2激活CB1R确实减少电刺激/光刺激该环路引起的P物质释放（图二）。
图二 激活STR→SNr的CB1R减少P物质释放
上述实验发现浆膜CB1R只影响THC的镇痛效应，那其运动抑制效应如何产生？作者团队前期工作中构建了一种只发生线粒体CB1R突变的小鼠（DN22-CB1-KI小鼠），并在脑片电生理中发现线粒体CB1R对于正常的递质释放“刹车”作用是不可或缺的；更加有趣的是，线粒体CB1R突变后THC和CB1R激动剂所引起的运动抑制作用也消失了，但不影响镇痛作用（图三）。
图三 STR→SNr线粒体CB1R通过抑制IPSCs介导THC的运动抑制作用
接着作者又进一步探究了线粒体CB1R介导运动抑制作用的具体机制是什么。前期实验已经发现，STR→SNr的CB1R绝大部分表达在STR的多巴胺一型受体（Dopamine I receptor, D1R）阳性神经元上，于是作者在D1R阳性神经元特异性敲除CB1R的动物上面重新表达CB1R或突变的线粒体CB1R，发现激活CB1R抑制线粒体呼吸作用是依赖于正常的线粒体CB1R表达的，并且THC通过线粒体CB1R产生的运动抑制作用与线粒体呼吸的抑制相关。
激活CB1R引起的线粒体呼吸作用的抑制主要通过抑制可溶性腺苷酸环化酶（sAC）活性实现，因此，作者综合运用药理学和基因编辑技术抑制sAC活性或CB1R对sAC的作用，发现sAC的抑制是THC通过线粒体CB1R发挥运动抑制作用的关键分子机制（图四）。
图四 THC通过线粒体CB1R产生的运动抑制作用与线粒体呼吸的抑制相关
已有研究证实大脑内CB1R激活的典型分子效应是蛋白激酶A（PKA）活性增加，由于PKA在胞浆和线粒体中都有表达，作者就利用病毒将突变的PKA分别特异性表达在胞浆和线粒体中，发现胞浆中表达突变PKA确实可以模拟浆膜CB1R被拮抗的作用——逆转THC的镇痛作用；线粒体中表达突变PKA也模拟出了线粒体CB1R被拮抗的作用——逆转THC的运动抑制作用（图五）。
图五 不同亚细胞定位的PKA突变模拟CB1R拮抗的作用
本文精确解析了STR→SNr环路中不同亚细胞定位的CB1R介导了截然不同的行为反应，并精确到了CB1R起作用的分子通路机制：浆膜CB1R通过激活PKA抑制P物质的释放从而起镇痛作用；线粒体CB1R通过抑制sAC和PKA活性来抑制线粒体呼吸，从而起抑制运动的作用。
这篇文章在传统环路研究中结合了细胞和分子层面，精细解析了同一环路介导不同行为的机制，为深入研究神经信息处理方式提供了新的思路。
参考文献
Subcellular specificity of cannabinoid effects in striatonigral circuits.Neuron. 2021 Mar 19;S0896-6273(21)00155-0.
编译作者：夏洛特（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）