亚秒级多巴胺波动不调控动作活力的新发现：对帕金森病运动控制机制的重新审视

《Nature Neuroscience》：Subsecond dopamine fluctuations do not specify the vigor of ongoing actions

本研究通过光遗传学、光纤光度法等技术，发现纹状体亚秒级多巴胺（DA）瞬变并非小鼠前肢运动活力的实时调控因子。左旋多巴通过恢复DA"张力"而非相位性信号改善运动功能，这对理解帕金森病（PD）运动障碍机制及治疗策略具有重要启示。

　　

在帕金森病研究中，中脑多巴胺神经元（mDANs）退化导致的运动迟缓一直是核心问题。传统观点认为，多巴胺是运动活力的代名词，但多巴胺如何实时调控运动的具体机制仍存在争议。早期研究指出多巴胺仅发挥"许可性"作用，而近期实验发现mDANs在运动启动时活性增强，且与运动参数相关。这些亚秒级的纹状体多巴胺波动被认为可能通过调节皮层-纹状体突触的强度，实时调控运动指令的增益。然而，这种调控作用的时间进程和幅度在体内尚未明确，特别是亚秒级的多巴胺波动是否能以足够快的速度调节突触传递，从而实时调整运动活力。

为探究纹状体多巴胺在运动活力表达中的作用，研究人员训练头部固定的小鼠使用左前肢自主按压负载杠杆。按压幅度超过阈值（4.1±0.2毫米）后延迟0.5秒给予水奖励。训练有素的小鼠每隔几秒产生一次弹道式按压，其中64±5%获得奖励。重要的是，若通过提前自由饮水使奖励贬值，小鼠会停止产生大幅度按压，表明该行为是目标导向的。为验证该任务依赖皮层-纹状体回路，研究人员通过局部注射GABA_A受体激动剂蝇蕈醇沉默对侧初级运动皮层（M1）或背外侧纹状体（DLS）的神经活动，均损害了小鼠产生奖励性按压的能力。

研究人员进一步评估了该任务对纹状体多巴胺的依赖性。通过单侧注射6-羟基多巴胺（6OHDA）损毁mDANs，发现对侧损毁小鼠产生有力按压的能力显著受损，而同侧损毁小鼠影响较小。这表明多巴胺对运动的影响是偏侧化的，而非全局性降低行动动机或奖励价值感知。急性给予左旋多巴（治疗帕金森病运动迟缓的一线药物）能暂时恢复对侧mDANs损毁小鼠产生大幅度、有力按压的能力。这些数据表明纹状体多巴胺在控制对侧前肢运动的活力方面具有特定作用。

为探究时刻变化的多巴胺波动是否决定正在进行运动的活力，研究人员首先在多巴胺完整的小鼠中表征了纹状体多巴胺与杠杆按压之间的关系。他们在按压杠杆的对侧DLS表达红色GRAB-DA传感器rDA1m，利用光纤光度法监测细胞外多巴胺水平的变化。奖励递送会引发多巴胺的亚秒级增加，与多巴胺在奖励信号中的作用一致。但令人惊讶的是，按压动作并未一致性地伴随细胞外多巴胺的亚秒级增加：平均而言，DLS多巴胺水平在运动启动时轻微下降，在速度达到峰值时达到最低点。此外，运动活力与按压开始前1秒、按压开始时或速度峰值时的多巴胺水平要么没有相关性，要么呈微弱但显著的负相关。在靶向背内侧纹状体（DMS）的另一组小鼠中，多巴胺动力学在按压周围与DLS定性不同：平均多巴胺水平在按压开始前逐渐上升，在最大按压速度时达到峰值。然而，与DLS类似，逐次试验的运动活力与DMS多巴胺在按压开始前、开始时或杠杆达到峰值速度时均无强相关性。这些结果表明，目标导向的前肢运动既不被可预测的、与运动活力相关的亚秒级多巴胺瞬变所先导，也不与之同时发生。

为检验产生有力动作是否需要亚秒级多巴胺瞬变，研究人员考察了左旋多巴的情况。他们在损毁mDANs前后对DLS的rDA1m进行成像。损毁前，观察到在全局荧光信号（通常称为基线荧光，或F₀）之上叠加的亚秒级荧光波动。损毁mDANs后，rDA1m荧光不再显示亚秒级波动，且racopride不再抑制基线荧光，证实细胞外多巴胺缺失。全身给予左旋多巴引起基线rDA1m荧光的 prolonged 增加，但不伴随亚秒级波动。这些数据表明，左旋多巴缓解运动迟缓的能力不需要亚秒级多巴胺瞬变，某种稳态的多巴胺信号水平足以产生有力的动作。

这些发现并不排除纹状体多巴胺的短暂变化为下行运动指令提供额外"在线"增益的可能性。为探究此点，研究人员询问短暂增加或减少多巴胺是否会改变同时进行的杠杆按压的活力。他们首先使用光遗传学检查了抑制mDANs的效果。在mDANs中表达 soma-targeted 抑制性视蛋白stGtACR2，并在中脑双侧植入光纤。在30%的试验开始时，对mDANs进行2秒抑制，该操作并未显著改变这些试验中杠杆按压的速度或幅度。为测试运动活力是否对多巴胺的短暂增加更敏感，他们在另一组表达兴奋性视蛋白ChR2的mDANs小鼠的中脑植入光纤，并通过在试验开始时施加1秒蓝光脉冲来提升纹状体多巴胺。在所有测试强度下，ChR2刺激均未能改变杠杆按压的活力。重要的是，刺激强度足以在同一小鼠中强化操作行为。最后，研究人员通过在同一小鼠中进行行为学会议，其中获得奖励所需的按压幅度在会议中途突然增加，证实了他们的检测方法对活力变化是敏感的。这些结果表明，纹状体多巴胺的短暂增加和减少不足以改变正在进行的前肢运动的活力。

本研究旨在阐明亚秒级多巴胺瞬变在运动活力的实时控制中的作用。研究人员聚焦于自我发起的前肢运动，因为这类运动在帕金森病中受到严重影响，并常用于评估人类的运动迟缓。与多巴胺功能的偏侧化一致，他们发现产生费力的前肢运动需要对侧多巴胺。他们的光度法实验表明，左旋多巴通过全局提升纹状体多巴胺（创造通常称为多巴胺"张力"的状态）来急性恢复运动活力，而非恢复通常叠加在此信号之上的快速、亚秒级波动（即"相位性"多巴胺瞬变）。这表明左旋多巴的治疗效果不需要相位性多巴胺信号，反过来，产生有力的运动并不需要多巴胺受体与运动动作短暂同步 engaged。

在多巴胺完整的小鼠中，研究人员未能观察到DMS或DLS中多巴胺瞬变的逐次试验幅度与运动活力之间存在强的、系统性的关系。然而，平均数据揭示了在DLS中，多巴胺在速度峰值处存在一个相对小但显著的、与活力相关的下降，而在DMS中，平均多巴胺水平在运动开始前显示出小的上升斜坡。群体水平光度法的一个局限是它可能错过对前肢运动特定方面重要的高度局部化的多巴胺瞬变。尽管如此，研究人员的发现与其他人在自我发起动作期间的观察相呼应，表明至少多巴胺不遵循与运动活力相关的固定的、全纹状体范围的关系。

光遗传学实验进一步表明，前肢运动的活力不太可能由同时发生的纹状体多巴胺变化控制。mDANs的刺激和抑制均未能改变活力，无论运动是在光遗传学操作期间产生、在随后的几秒内产生，还是在一次会议过程中累积产生。这些阴性结果并非由于未能改变多巴胺水平：研究人员校准操作以匹配或超过体内观察到的多巴胺瞬变，通过向中脑传递光遗传学光来扩大其解剖范围，确认刺激强度足以强化操作行为，并验证了他们的检测方法对奖励偶然性变化引起的活力变化是敏感的。

综上所述，数据表明亚秒级多巴胺瞬变既不是产生有力前肢运动所必需的，也不足以在秒级时间尺度上指定其活力。这些发现扩展了近期工作，表明相位性多巴胺对于小鼠产生简单双侧运动（如舔舐和运动）是可有可无的，并且mDANs活性的变化与同时和即将发生动作的速度仅弱相关，运动活力中大部分的逐次试验方差无法用多巴胺解释。这不应被解释为暗示多巴胺在任何情况下都不能改变运动。众所周知，提升多巴胺会增加动作产生的频率和/或减少发起动作的潜伏期。虽然这些效应与多巴胺激励行为 broadly 一致，但它们可能并不反映个体肢体运动本身速度或幅度的变化，而是反映了动机、动作选择或动作启动的变化。

主要关键技术方法包括：1）小鼠行为学训练（自主杠杆按压任务）；2）立体定位手术与病毒注射（靶向特定脑区表达传感器或视蛋白）；3）光纤光度法（使用rDA1m传感器实时监测纹状体多巴胺 dynamics）；4）光遗传学操作（抑制mDANs用stGtACR2，激活用ChR2）；5）药理学干预（左旋多巴、racopride等全身给药）；6）免疫组织化学（验证病毒表达、纤维位置及损毁效果）。

研究结果部分：

Fig. 1| Vigorous execution of self-paced movements requires contralateral DA.

通过单侧损毁mDANs及药理学干预证实，有力前肢运动的产生需要对侧纹状体多巴胺，且左旋多巴可通过恢复多巴胺信号改善运动功能。

Fig. 2| Striatal DA is required for the production of vigorous movements.

利用rDA1m光度法发现，杠杆按压动作并非一致性地由亚秒级多巴胺瞬变先导或伴随，且左旋多巴恢复运动活力依赖于提升多巴胺"张力"而非恢复相位性波动。

Fig. 3| Optogenetic DA manipulations do not affect the vigor of ongoing movements.

通过光遗传学抑制（stGtACR2）和激活（ChR2）mDANs，发现短暂改变纹状体多巴胺水平不足以实时调控正在进行的前肢运动的活力。

Extended Data Fig. 1| Lever press performance depends on contralateral cortico-striatal circuits.

证实任务性能依赖于对侧皮层-纹状体回路，且多巴胺损毁的影响是偏侧化的，而非全局动机改变。

Extended Data Fig. 2| Dorsolateral DA dynamics during lever pressing and in lesioned mice.

详细展示了DLS多巴胺在按压期间 dynamics，进一步支持亚秒级波动与运动活力缺乏强相关性。

Extended Data Fig. 3| Dorsomedial DA dynamics during lever pressing.

展示了DMS多巴胺在按压前呈现逐渐上升的模式，但与运动活力的逐次试验相关性同样较弱。

Extended Data Fig. 4| Controls for optogenetic manipulations and sensitivity of behavioral assay to changes in vigor.

提供了光遗传学操作的对照实验，并验证行为学检测方法对活力变化的敏感性。

研究结论与讨论部分强调，亚秒级多巴胺瞬变并非指定正在进行动作活力的关键实时信号。左旋多巴的治疗效果可能主要通过恢复纹状体多巴胺的稳态水平（"张力"）而非快速波动来实现。这对理解帕金森病的病理生理学和治疗机制具有重要意义，挑战了关于多巴胺实时调控运动活力的传统观点，并为开发新的治疗策略提供了新的视角。多巴胺可能通过 reinforcement learning 相关的突触可塑性机制，在更长时间尺度上塑造运动 vigor，而非进行 moment-to-moment 的在线增益控制。