为治疗帕金森病带来新方法，北大校友发现大脑控制运动的“刹车”机制，揭示腺苷调节神经通路的新机制

你是否思考过这样一个问题：为何喝茶时手总能准确到达杯子的位置，而且总能把杯子送到嘴边，而非送到眼睛上？

学过初中生物就会知道，这是大脑的功劳。那么，大脑是如何通过精确的调节，来完成这些看似简单的动作？科学研究表明，大脑基底神经节之一的纹状体，尤其是背外侧纹状体，对于运动的产生和调节，发挥着至关重要的作用。

背外侧纹状体主要由两种神经元组成：一种是“直接通路”神经元，可以促进动作的表达；另一种是“间接通路”神经元，可以抑制不想表达的动作。在这两种神经元中，都包含着蛋白激酶 A，这是一种负责催化蛋白质磷酸化过程的酶。

而上述两种神经元的兴奋性，也会受到多巴胺的调控。经典理论认为，多巴胺对于这两种神经元的调控，主要依赖对于两种神经元中蛋白激酶 A 的调节。

通过 1 型多巴胺受体，多巴胺会增加 “直接通路” 神经元中蛋白激酶 A 的活动，进而增强神经元的兴奋性，从而促进运动。

通过 2 型多巴胺受体，多巴胺则能抑制 “间接通路” 神经元中蛋白激酶 A 的活动，进而降低神经元的兴奋性，从而抑制运动。

因此，在这两种神经元中，多巴胺的最终作用都是为了调节运动。如果多巴胺神经元受损，“直接通路”神经元和“间接通路”神经元之间的平衡会被打破，从而引发运动障碍，比如如帕金森病等。

在纹状体中，两种神经元活动的失衡，除了会导致各种运动型障碍疾病之外，也有大量研究表明多种精神类疾病比如精神分裂症、抑郁症的发病机理，也是源于上述平衡被打破。

所以，几乎所有相关疾病的药物研究，都集中于调控多巴胺或多巴胺受体。而多巴胺调节蛋白激酶 A 的经典理论，也在这些药物研发中占据主导地位。

但是，多数支持这一理论的实验证据，均来自于体外实验。体内实验的复杂性往往超出科学家的预测，很多体外实验和体内实验的结果完全不同。

因此，多巴胺是否像经典理论预测的那样，可以调控两种神经元的蛋白激酶 A 的活动？也亟需在体实验的直接验证。

近日，美国俄勒冈健康与科学大学 Vollum 研究所博士和所在团队，通过在体研究发现：和经典理论一致的是，激活多巴胺神经元之后，确实可以增加蛋白激酶 A 在“直接通路”神经元中的活动。

但是，与目前理论不同的是，直接激活多巴胺神经元，并不会降低“间接通路”神经元中蛋白激酶 A 的活动。并且，和目前理论完全相悖的是，小鼠运动会直接增强、而不是降低间接通路神经元中蛋白激酶 A 的活动。

图 | 马磊（来源：）

这项研究还表明，运动不仅会释放多巴胺，也会释放神经递质——腺苷。而在 “间接通路”神经元中，正是腺苷上调了蛋白激酶 A 的活力，从而增强“间接通路”神经元的兴奋性，进而抑制运动。

前面提到，对于两种神经元的调节，多巴胺都起着促进运动的作用。但是，生物系统不能无休止地运动，这就需要一个冷却系统，来防止系统“过热”。

如果多巴胺是“一匹冲刺的野马”，腺苷就是对应的“缰绳”，起着拮抗多巴胺功能的作用。多巴胺和腺苷这对“马与缰绳”的组合，能把“直接通路”神经元和“间接通路”神经元的活动，维持在一个相对平衡的状态，从而对运动系统实施更准确的调节和控制。

就像前面提到的喝茶，在多巴胺的帮助下你才能举起杯子。但是，腺苷这个“缰绳”会让你停下来，不至于将茶“喝到眼睛里”。

拓展药物研发的手段

如前所述，纹状体的功能障碍，会导致帕金森症和众多精神类疾病。当下，治疗这些疾病的药物主要集中在调节多巴胺，比如调节 1 型或者 2 型多巴胺受体。

这类治疗的理论基础，通常基于多巴胺调节“直接通路”神经元和“间接通路”神经元中蛋白激酶 A 的活动。

而这次研究不仅修改了当前的经典理论（即在体激活多巴胺神经元，并不会降低“间接通路”神经元蛋白激酶 A 的活动），并在此基础上引入腺苷这一新型调节机制。

因此，在研发相关药物时，这一成果能让技术手段得到大幅拓展。比如，就目前的多巴胺调节药物来说，病人服用一段时间后，由于多巴胺受体的内调往往会产生抗药性。这时，就可以采用此次提出的调节腺苷或腺苷受体的方法。

当然，也可以研发通过调节腺苷或腺苷受体，来治疗纹状体功能障碍的策略。如果同时调节多巴胺和腺苷，还能实现更精细的调节手段。表示：“我相信，大家看到这篇论文之后，会有更多人把研究方向转移到腺苷。”

（来源：Nature）

近日，相关论文以《运动通过纹状体神经元中的多巴胺和腺苷激活 PKA》（）为题发表在 Nature 上[1]，是第一作者，教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

说：“该研究获得三位审稿人的一致认可。他们分别表示：‘这个研究是及时的，未来可以激发大量的相关工作’‘该成果是令人激动的，尤其是腺苷在间接通路中扮演的角色’‘在我看来，作者已经充分解决了此前研究中的空白，是解决其他重要问题所必需的’。”

一条更难的路

身边的几位教授都表示，像这样的审稿意见是极其罕见的。而这一切要从 2018 年说起，当时和所在团队刚研发出新型蛋白激酶 A 活性探针，他和导师正在讨论下一个研究方向。

最简单的就是沿着探针成果，对大脑皮层中蛋白激酶 A 的来源和作用，做进一步的追溯。

因为所有技术都已建立，而且手上还有一些未公布的数据，再做一些药物实验，极有可能在短时间内发表下一篇论文。

另一个思路是做睡眠相关的研究。事实上，在本次 Nature 论文的研究前期，检测了睡眠期间蛋白激酶 A 的活性变化，所得结果非常令人兴奋。如果他继续研究睡眠课题，估计也会收获颇丰。

但是，他和导师走了一条更难的路：研究纹状体蛋白激酶 A 在运动中的活性变化。彼时，从未有人在深层组织监测到蛋白激酶 A 的活性。

等人也没有研究纹状体的经验，而主导该领域多年的理论，几乎也对多巴胺调节蛋白激酶 A 活性的原理做出过定性阐述。

仅用一个新型蛋白激酶 A 探针，对经典理论再做一遍活体验证，似乎是多此一举。那么，为何舍弃两个旁人看来极好的课题，转而追逐更难的？

他表示，既然出国学习就要掌握有挑战的新技术，一直待在舒适区并不是留学的初衷。那时，他刚在 Neuron 上发了一篇论文，组里暂时没有发论文的压力。

而对于纹状体区域蛋白激酶 A 在活体下的活性调节，导师教授也很感兴趣。

与此同时，斯坦福大学医学院奥马尔·贾达尔·贝纳维德斯（）来拜访他们，对方也很愿意分享关于纹状体活体成像的技术。

在 的帮助下，很快掌握了小鼠手术的技巧，还通过自研辅助装备来放置“梯度折射率透镜”，透镜像针一样细小，可以实现对纹状体的成像。他说：“回想第一次看到纹状体神经元的时候，那种欢呼雀跃依旧历历在目。”

对纹状体进行钙离子活体成像之后，和同事又把蛋白激酶 A 活性探针引入纹状体，让其表达在“直接通路”神经元和“间接通路”神经元中，接着检查其在小鼠运动期间的活性变化。

在运动的作用下，当大家第一次看到“间接通路”神经元中的蛋白激酶 A 活性增强时，所有人都不敢相信。

例行组会上，也有同事发出三连问：是不是搞错了小鼠基因型？这种实验方法也有别人用过吗？是不是手术创伤太大？

总之，对于实验结果大家都是将信将疑。为此，针对不同批次的、相同基因的老鼠，课题组进行多次验证，结果全部一致。这说明，在“间接通路”神经元中，运动会让蛋白激酶 A 活性增强，而不是主流理论中的降低。

那段时间，每天都在测试各种药物，看看到底阻断哪个通路，可以阻断蛋白激酶 A 的活性。

测试四五种药物之后，他开始尝试腺苷 A2A 受体阻断剂。结果显示，通过腹腔注射、或直接在纹状体局部脑区导管给药，都能完全地阻断蛋白激酶 A。

针对运动在“间接通路”神经元中产生的蛋白激酶 A，还得验证是否真的是腺苷 A2A 受体介导的，为此他使用北大团队研发的腺苷探针，对小鼠运动时背外侧纹状体的腺苷水平，进行了实时监测。

结果显示在短时间内，运动确实会让小鼠释放大量的腺苷。这也意味着，阻断腺苷的产生，也会降低蛋白激酶 A 在“间接通路”神经元中的增加速度。最终，所有实验都完美地契合在一起，验证了推论的准确性。

（来源：Nature）

研究中，也感受到了科研前辈对他的关怀。其所在实验室的隔壁是同校教授约翰·威廉姆斯（）的课题组，后者是纹状体领域的专家，所培养的学生成长为“大咖”的不在少数。

此前，的纹状体研究经验几乎为零，为此约翰教授给出大量建议，几乎是“半个导师”的角色。

“让我印象比较深刻的是，作为领域内的顶尖专家， 没有一点架子，不会觉得你是个学生就爱答不理的。

我刚来时英语口语还不够好，但是 每次都会耐心听我讲述我们的发现。不懂的地方他会立马帮我查，还会专门写邮件给我解释他觉得我可能没听懂的知识。论文发表后，他第一个跑来恭喜我，高兴得像个孩子一样。”说。

（来源：Nature）

而在接下来，希望找到一个精确的腺苷释放来源。目前，大家明确知道多巴胺的释放来源于中脑的多巴胺神经元。这次研究也已明确：运动会直接导致腺苷的释放，但是腺苷的来源并不清楚。

而如果通过调节腺苷，来实现治疗纹状体功能障碍。那么，首要目标就是寻找腺苷的释放来源。

事实上，和同事已经做了不少基础工作，他们发现纹状体区域腺苷的一个非常可能的来源，是星形胶质细胞释放的腺嘌呤核苷三磷酸降解而成。

目前，实验室正在研发能直接对星形胶质细胞进行成像和操作的手段。后续，他们会通过增强或抑制星形胶质细胞，来研究星形胶质细胞对腺苷释放的影响。

再比如，为保持清醒人们会去喝咖啡。如果在网上查一下，你会发现它的作用机制正是抑制腺苷受体的功能。而且，这项作用机制也得到了多项研究的验证。

但是，的初步研究显示，咖啡在直接通路神经元上的作用机制，和现在的理论是完全相反的。

这说明，不仅腺苷是咖啡的作用受体，很有可能还存在另一种受体。最近，他和同事正在寻找潜在的第三种作用受体。

推掉国内 offer，跳出舒适留学国外

据介绍，出生于山东省德州市临邑县老马家村，他说自己“是个地地道道的农村娃。”

其本科毕业于中央民族大学，后保研进入北大，师从教授，主要研究睡眠类课题。

他说：“我是教授在国内的第一个学生，导师绝大多数时间在美国，所以在一开始，很多东西都要一边自学一边摸索。”

比如，在判断小鼠进入睡眠状态的脑电波记录时，需要使用一种电极。制备电极时需要什么样的材料？怎么做焊接？把它插在小鼠的哪个位置？这些都得自行解决。

而且，电极还不能干扰小鼠的活体成像，也不能被活体成像的信号所干扰。为满足所有条件，他足足耗时几个月，期间尝试了多种方案。

最后，他终于实现了脑电波信号的稳定记录，同时不会被活体成像的信号打扰。截止目前，这一方案已被多家实验室采用。

正是利用这一方法，以共同一作的身份，发表了课题组第一篇睡眠相关的论文，揭示了快速动眼睡眠通过处理一部分不重要的新突触，从而让大脑腾出空间学习其他东西的机制。

那篇论文于 2017 年发表在《自然·神经生物学》。“目前论文引用已有 366 次，远超同类论文的引用数。论文发表后，我也有在国内找工作的打算，也收到了深圳大学、青岛大学医学院的 offer。然而我很清楚，急匆匆地成立实验室并不是很好的选择，我得换个环境来锤炼自己。”说。

导师也告诉他，在一个地方的成功，并不能完全证明你的能力；如果换一个地方，仍能做出让人信服的成绩，那才说明这份成功并不完全依赖所在实验室。于是，在导师的推荐下，来到了现在的实验室。

刚来美国时，课题组正在研究一种新型蛋白激酶 A 活性探针。但是，当时还没有办法监测其在活体状况下、或在某种行为学下的活性变化。

为此，专门给小鼠造出一款电机控制型跑步机。利用跑步机，可以精确控制小鼠的跑步速度和跑步时间。当小鼠在运动时，他们成功监测了蛋白激酶 A 活性的变化，相关论文已发表于 Cell 子刊。

目前，已有多家实验室向马磊和导师，表达了对于这款探针的兴趣。也有几家实验室使用这款探针做出了突破性研究。

表示：“利用蛋白激酶 A 活性探针，我们最近还发现了和多巴胺通路所拮抗的腺苷通路，修改并补充了主导该领域多年的多巴胺理论。我在 2022 年也正式从博士后转成了助理科学家。”

“据我所知，目前利用双光子荧光寿命成像，来对蛋白激酶 A 进行活体成像的技术，在国内还没有实验室可以做到。如果有机会，我想回去把这项技术建立起来，促进国内科研圈在这方面的进步。”他在最后表示。

参考资料：

1.Ma, L., Day-Cooney, J., Benavides, O.J. et al. Locomotion activates PKA through dopamine and adenosine in striatal neurons. Nature 611, 762–768 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05407-4

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