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杜久林研究组实现清醒小动物大脑中多巴胺调质释放的实时检测
发布日期:2015-11-20    浏览次数:622

11月18日的《神经科学杂志》报道,在小巧透明的幼年斑马鱼上,奖赏性嗅觉刺激诱发脑中多巴胺的释放,所释放的多巴胺可以用电化学方法实时记录并能追溯其上游的神经环路。这是首次在清醒的小动物脑中记录到感觉刺激引起的多巴胺释放。对其上游环路的追踪展示了斑马鱼上,电化学记录方法在阐明多巴胺能神经调质系统环路机制中的诱人潜力。

作为一种主要的神经调质,多巴胺参与一系列重要的神经功能调节,过去十余年间调控其释放的环路机制受到了相当多的关注。幼年斑马鱼大脑小巧透明,易于进行电生理记录、光生理学和遗传学操纵等,同时其构造,包括多巴胺能系统,具有保守的脊椎动物特征,因而十分适合作为动物模型,在全脑水平上研究多巴胺能系统的调控机制。这就需要在清醒的幼年斑马鱼脑中实时监测其内在多巴胺水平的变化。在现有的分析方法中,电化学记录具有毫秒级的时间分辨率和接近微米级的空间分辨率,是神经调质研究的经典选择,已在多巴胺快速释放的机制研究中发挥了很大作用。然而,幼年斑马鱼脑中的多巴胺能神经元数目很少,每个核团中仅几十到百余个神经元,远少于啮齿类和灵长类对应核团中多巴胺能神经元的数目,故其所分泌的多巴胺分子量微,这就对电化学记录的灵敏性和实验设计提出了超乎常规的要求。杜久林研究组的尚春峰博士采用先进的碳纤维电极进行电化学记录,在清醒的斑马鱼上,成功地记录到嗅觉刺激在视顶盖区诱发的多巴胺分泌。

为了确认生物系统中记录到的电化学信号,电化学领域内设立了若干方面的标准。尚春峰等人从电化学、药理学、解剖学、生理学等方面确认了所记录到的信号正是多巴胺能的。进而,通过结合使用多巴胺能神经元中特异表达钙离子指示剂GCaMP6s的转基因斑马鱼,观察了顶盖前区多巴胺能神经元到视顶盖区投射纤维的活动,发现其可以被嗅觉刺激所激活,刺激模式与电化学实验中的完全一致,反应也表现出类似的时间特性。激光损毁顶盖前区的多巴胺能神经元后,嗅觉刺激再不能诱发视顶盖区的多巴胺释放。因此可以确认,嗅觉刺激信息系经由顶盖前区的多巴胺能投射到达视顶盖区。

这项工作题为“安培法检测感觉刺激在清醒的幼年斑马鱼脑中诱发的多巴胺释放”,是在中科院神经科学研究所杜久林研究员指导下,由尚春峰博士等人与北京大学分子医学研究所周专教授实验室合作完成的,受到了来自中国科学院战略性先导科技专项(XDB02040003)、科技部国家重点基础研究发展计划(2011CBA00400, 2012CB945101) 基金委国家杰出青年科学基金项目(31325011) 和青年科学基金项目(31400954)、上海市优秀学术带头人项目(14XD1404100)和青年科学基金项目(13ZR1464000)的支持。

在幼年斑马鱼的鼻孔处施加食物刺激,用碳纤维电极在其视顶盖纤维区进行记录。顶盖前区的多巴胺能神经元(绿色)被食物刺激激活,释放多巴胺到视顶盖区,使得碳纤维电极记录到多巴胺的氧化电流。