《Nature Communications》：Synchronous activation of striatal cholinergic interneurons induces local serotonin release
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胆碱能中间神经元(CINs)能否像调节多巴胺那样调节5-羟色胺(5-HT)信号，是理解基底神经节神经调质对话的关键未知问题。本研究通过光遗传学、电生理和双光子成像技术，首次证明了在背侧纹状体中，CINs的同步激活可以通过表达在5-HT轴突上的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)直接触发局部5-HT释放，并扩展其释放空间范围。在Sapap3-/-强迫症样小鼠模型中，该机制因胆碱能过度活跃而选择性放大，揭示了纹状体内乙酰胆碱-5-HT交互的区域特异性形式及其在生理和病理状态下的调控作用，为理解相关精神疾病（如强迫症）的机制提供了新见解。
我们的大脑就像一座由无数神经元组成的精密都市，纹状体是其中处理运动、学习和习惯形成的关键“交通枢纽”。在这个枢纽里，除了作为主要“信号灯”的谷氨酸和GABA，还有几位重要的“化学信使”——多巴胺(DA)、5-羟色胺(5-HT)和乙酰胆碱(ACh)，它们在后台精细调节着交通流量。其中，数量稀少但作用关键的胆碱能中间神经元(CINs)被称为纹状体的“主控开关”，已知它们可以通过释放乙酰胆碱，激活多巴胺轴突末梢上的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)，从而像“放大器”一样促进局部多巴胺的释放。然而，对于另一种与情绪、冲动控制密切相关的信使——5-羟色胺，CINs是否也能施加类似的直接控制，一直是神经科学领域的一个谜团。解开这个谜题，对于理解多种涉及纹状体功能紊乱的神经系统疾病，如强迫症(OCD)和帕金森病(PD)，具有至关重要的意义。近期，由Ayelet M. E.等人领导的研究团队在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上发表了一项开创性研究，首次清晰揭示了纹状体CINs对局部5-HT释放的直接、区域特异性的调控机制及其在疾病模型中的异常变化。
研究人员综合运用了多项先进的神经科学技术来探索这一问题。他们向小鼠纹状体注射了携带绿色荧光5-HT传感器GRAB-5HT的腺相关病毒(AAV)，在脑片中利用双光子激光扫描显微镜(2PLSM)实时监测5-HT的动态变化。通过电刺激或光遗传学手段特异性激活表达在CINs上的通道视紫红质(ChR2)或红色移码视蛋白(ChrimsonR)，来模拟CINs的同步激活。同时，使用药理学工具（如nAChR拮抗剂美加明）来阻断特定受体，以验证其必要性。研究还利用了特定的转基因小鼠品系，如ChAT-Cre小鼠（用于特异性靶向CINs）和Sapap3-/-小鼠（一种表现为强迫性理毛行为的强迫症样模型小鼠），来探究该机制的细胞基础与病理意义。
局部nAChR依赖的5-HT释放存在于背侧而非腹侧纹状体
研究人员首先在背侧纹状体脑片中通过电刺激诱发了强烈的GRAB-5HT荧光信号，而广谱nAChR拮抗剂美加明可显著降低该信号的幅度，表明nAChR的激活促进了纹状体5-HT的释放。然而，在5-HT神经支配密度更高的腹侧纹状体，尽管电刺激也能诱发5-HT释放，但美加明却无法抑制该信号，提示nAChR不参与腹侧纹状体的5-HT释放。这一区域差异出人意料。
nAChRs扩展了纹状体5-HT释放的空间范围
进一步的空间分析发现，美加明不仅降低了背侧纹状体中5-HT释放的总体幅度，还将5-HT信号衰减的空间长度尺度从约183微米缩短至126微米，表明nAChR激活能将5-HT释放的空间范围扩大约45%。
CINs的光遗传学激活可饱和纹状体nAChR依赖的5-HT释放
关键实验表明，在ChAT-Cre小鼠背侧纹状体中，通过光遗传学手段同步激活CINs，足以直接诱发显著的5-HT释放，且该信号可被美加明或另一种nAChR拮抗剂二氢-β- erythroidine (DHβE)完全阻断。这说明CINs释放的乙酰胆碱是触发5-HT释放的充分且必要条件。此效应不受谷氨酸能、GABA能和毒蕈碱型乙酰胆碱受体阻断剂的影响，且激活多巴胺轴突仅能诱发微弱的、nAChR不敏感的5-HT释放，共同证实了乙酰胆碱是直接作用于5-HT轴突上的nAChRs来介导5-HT释放的。
nAChR依赖的单胺释放在小鼠强迫症模型中被放大
在表现为强迫性理毛行为的Sapap3-/-小鼠（已知存在纹状体胆碱能过度活跃状态）中，电刺激诱发的背侧纹状体5-HT释放信号显著增强，且这一差异完全归因于nAChR敏感成分的增大，而非nAChR不敏感的基础释放能力改变。同样，多巴胺的nAChR敏感释放在该模型中也选择性升高。这表明，在纹状体胆碱能过度活跃的病理状态下，nAChR对单胺释放的放大效应被特异性增强。
综上所述，这项研究首次在功能上证明了纹状体胆碱能中间神经元(CINs)可以通过激活5-羟色胺(5-HT)轴突末梢上的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)，直接诱导、放大并扩展背侧纹状体局部5-HT的释放。这一“乙酰胆碱-5-HT耦合”机制具有鲜明的区域特异性，仅存在于背侧纹状体，而不存在于5-HT支配更密集的腹侧纹状体。在Sapap3-/-强迫症样小鼠模型中，由于胆碱能状态过度活跃，该调控机制被选择性放大，导致nAChR依赖的5-HT释放异常增高。这些发现不仅将我们对纹状体内乙酰胆碱与单胺（多巴胺和5-HT）双向调控的理解扩展至5-HT系统，揭示了一种区域局限的神经调质对话新形式，而且为理解强迫症等精神障碍中单胺信号失调的潜在机制提供了新视角。研究提示，在纹状体胆碱能过度活跃的病理条件下（如某些强迫症或帕金森病状态），CINs可能“劫持”5-HT纤维，成为局部5-HT释放的主要驱动因素，这为未来开发针对胆碱能-nAChR-5-HT轴的特异性治疗策略奠定了重要的理论基础。
