综述：不同神经递质释放模式对神经元信号传导的影响

《Molecular Psychiatry》：Impact of distinct neurotransmitter release modes on neuronal signaling

　　本综述系统阐述了神经元通信中同步（synchronous）、异步（asynchronous）、自发（spontaneous）释放及慢速神经调质传递（neuromodulation）四种模式的独特分子机制与功能。文章强调自发与诱发释放通过不同囊泡池（vesicle pool）和突触后受体实现功能分离，并探讨了异步释放的分子复杂性及其在兴奋性突触中备受争议的生理作用。理解这些多样化的释放机制不仅对神经科学至关重要，也为针对神经系统疾病（如癫痫、精神分裂症、帕金森病）开发更精准的治疗策略（如靶向Syt-1、SV2A、α-synuclein）开辟了新途径。

　　

神经元通信依赖于多样化的神经递质释放机制，每种模式都具有独特的分子机器和功能角色。超越快速、高保真的同步释放，异步释放支持持续的神经递质输出，而自发的、不依赖动作电位的释放则在突触发育、稳态和可塑性中扮演关键角色。作为这些释放形式的补充，由单胺类和神经肽介导的慢速神经传递在更长的时间尺度上塑造全网络活动。

诱发释放与自发释放的功能分化

诱发释放（包括同步和异步）与自发神经递质释放的功能分离，代表了我们对突触通信理解的一个范式转变。越来越多的证据表明，这些释放模式不仅服务于不同的生理角色，而且还参与不同的突触后信号通路。

功能上不同的囊泡池的分子决定因素支持这种分化的证据，主要来自对突触囊泡物理或功能上独立池的研究。研究发现存在一个静息囊泡池，它们仅自发融合，不参与动作电位驱动的释放。使用荧光染料标记囊泡池的研究表明，在静息期间通过自发内吞加载的囊泡更倾向于自发再融合，并且相对抵抗动作电位诱发活动的释放。相反，在活动依赖性循环中标记的囊泡则优先被后续动作电位释放。这种功能区分表明这些囊泡群体不易混合或广泛“串扰”。

分子层面的见解来自对与这些不同囊泡池相关的特定蛋白质的研究。例如，非经典SNARE蛋白Vti1a被确定为一个分子标记和关键组成部分，它对应一个在静息条件下优先循环的囊泡池，对维持自发神经传递至关重要。敲低Vti1a选择性地降低了自发事件的频率，而不显著影响诱发释放参数。类似地，另一个非经典SNARE，囊泡相关膜蛋白7（VAMP7），也被认为介导来自不同突触囊泡群体的自发释放。支持这一前提的研究表明，Vti1a和VAMP7的联合缺失显著损害了高频自发谷氨酸释放，但不影响内源性网络活动。这些发现建立在早期观察之上，即VAMP7遵循与其他突触囊泡蛋白不同的运输和循环途径，并进一步证实了自发和诱发释放可能源于分子分离的囊泡群体的假说。

囊泡异质性的产生和组织存在功能分化的囊泡群体，引发了一个基本的细胞生物学问题：这种异质性是如何在单个突触前末梢内产生和维持的？一个主流假说认为，不同的内吞和运输途径产生了具有不同分子组成、因而具有不同功能特性的囊泡。例如，囊泡可以通过网格蛋白介导的内吞、超快内吞和活动依赖性批量内吞等多种机制重构。有证据表明，通过这些途径回收的货物可能不同。此外，来自衔接蛋白复合物的研究也为特化生物发生途径提供了证据。例如，神经元特异性的AP-3复合物被证明能在多巴胺神经元中产生一个独特的突触囊泡亚群，这些囊泡优先响应高频刺激。这展示了一种清晰的分子机制，通过该机制，神经元可以创建功能特化的囊泡池。最终，这种分子异质性被认为是将囊泡分选到不同功能池的主要决定因素。

拥挤的突触前末梢内囊泡池的物理组织也在塑造其功能方面起着关键作用。一个新兴概念提出，这些囊泡簇可能代表胞质内一个独特的液相，是通过液-液相分离过程形成的。这种液相组织使得突触囊泡池能够保持紧密簇集 yet 动态移动，促进它们被有效地招募到释放位点。重要的是，液-液相分离不仅维持突触囊泡池的簇集和循环，还有助于活性区RIM1/2和Munc13纳米簇的精确组织。因此，液-液相分离通过维持不同的区室来功能性地区分囊泡池，这些区室调节囊泡的流动性和可用性。此外，破坏液-液相分离会选择性地损害动作电位诱发的神经传递，而自发释放不受影响，这表明液-液相分离介导的纳米级组织在支持快速的、钙依赖性诱发释放中具有特定作用。这些发现挑战了传统观点，并为理解突触功能的动态调控开辟了新途径。

对比鲜明的钙依赖性调控模式诱发释放和自发释放的触发机制在其对钙的依赖性以及所涉及的钙传感器的特性上也表现出根本差异。诱发同步释放的特征是与钙内流存在陡峭的、高度协同的关系，通常需要微摩尔浓度的钙，靠近开放的电压门控钙通道。这种快速的钙信号主要由突触结合蛋白家族的低亲和力钙传感器转导，特别是Syt-1和Syt-2。

相比之下，自发释放通常表现出更线性且往往更低的钙依赖性。它可以由多种钙源触发，包括静息膜电位下电压门控钙通道的随机开放、来自内部储存（如内质网）的钙释放，以及支持自发释放的储存操作性钙内流。虽然Syt-1已被证明对自发释放的钙依赖性成分有贡献，但其作用复杂。矛盾的是，基因删除Syt-1通常会导致自发释放频率的急剧增加。这种现象表明Syt-1充当了一种“钳制”作用来抑制自发融合，其移除揭示了一种替代性的、可能对钙更敏感的机制。

基于这些区别，Doc2家族蛋白，特别是Doc2a和Doc2β，已成为介导自发释放的钙传感器的有力候选者。然而，Doc2蛋白的确切作用仍是一个活跃的研究领域，因为一些研究表明它们也可能作为低亲和力钙传感器，并对异步释放有更显著的贡献。所涉及的钙传感器的差异敏感性和不同的分子特性是诱发和自发释放通路功能分离的基础。例如，Syt-1在高钙内流时激活同步释放，同时在较低钙水平下钳制自发释放的双重能力，代表了一个关键的调控节点。

这种钙感应机制的多样性，特别是Syt-1的钳制功能，以及其他钙传感器的可能贡献，也可能促成明显的囊泡池二分法。例如，含有C2结构域的蛋白copine-6存在于突触前末梢，以钙依赖性方式与VAMP2以及其他SNARE蛋白结合。Copine-6和VAMP2之间的这种相互作用选择性地抑制了自发神经传递。最近的研究还揭示了额外的复杂性层，表明神经调质可以间接塑造自发释放。

非重叠的突触后受体群体一个令人信服的证据表明，通过自发与诱发胞吐释放的神经递质可以激活空间分离的突触后受体群体，即使在相同的突触位点也是如此。一项使用不可逆的、使用依赖性的NMDA受体通道阻断剂MK-801的研究表明，自发和诱发的谷氨酸释放激活了海马神经元中 largely 不重叠的NMDAR群体。具体来说，阻断自发释放激活的NMDARs对后续NMDAR介导的诱发反应影响极小。这一发现以及后续研究表明，这两种释放模式靶向不同的NMDAR群体。在兴奋性突触处，AMPA受体也报道了类似的分离，最近在抑制性突触处，GABA_A受体也报道了类似情况。突触后靶点的空间分离是一个关键发现，它提供了一个具体的机制，通过该机制，自发和诱发释放可以启动不同的下游信号通路，从而施加独立的功能效应。

激活独特的下游信号通路自发和诱发释放激活不同的受体群体，导致不同的下游细胞内信号级联的参与。其中一个最明确的例子涉及局部树突蛋白质合成的调控。自发NMDAR活动，而非诱发NMDAR活动，特异性通过eEF2激酶促进真核延伸因子2的磷酸化和失活，从而抑制树突蛋白质翻译机制。这种选择性信号通路允许自发释放对局部蛋白质合成施加自主控制，这一过程对突触可塑性和维持至关重要，且独立于动作电位驱动的活动。这种参与不同信号通路的能力强调了自发释放介导独特细胞功能的能力，而不仅仅是诱发释放机器的低频回声。

自发释放还有助于树突棘的成熟、维持和稳定性。早期研究表明，自发囊泡谷氨酸释放引起的AMPAR激活足以维持海马培养神经元中树突棘的存在。这一发现表明，自发事件为棘的存活提供了关键的营养信号，独立于同步释放的模式化活动。相比之下，同步神经传递是活动依赖性结构重塑的主要指导信号。诱导长时程增强的高频刺激模式会引起棘头的快速且持久的增大，而导致长时程抑制的低频刺激则导致棘的收缩和消除。此外，局部、重复的谷氨酸解笼锁可以触发新的、功能性棘的从头形成。因此，自发和同步释放共同提供了互补且不可或缺的贡献，每种活动形式都支持着塑造神经环路的树突棘。

自发神经传递作为稳态突触可塑性的介质

持续感知自发神经传递是神经元感知整体活动水平并启动稳态可塑性过程的关键机制，使其在面对扰动时能够维持稳定的放电速率和整体功能。其中最具特征的稳态可塑性形式之一是突触缩放，即神经元以补偿性的方式全局性地调整所有兴奋性突触的强度。这一过程本质上是活动依赖性的。相反，长期升高的活动会导致mEPSC幅度的缩放性降低。这种缩放下降是一个主动过程，旨在对抗过度活跃并防止失控的兴奋。从机制上讲，它通常涉及突触后AMPARs从突触表面的移除，从而导致突触强度降低。这一过程需要新的基因表达和蛋白质合成，涉及如Homer1a和Arc等即刻早期基因，这些基因可以标记突触以进行内吞。

进一步的研究通过显示视黄酸信号参与介导由活动阻断诱导的突触缩放，并且这种形式的突触缩放通过增加AMPAR的掺入在突触后表达，从而进一步阐明了这一过程。此外，直接阻断微型突触事件本身可以触发快速的稳态变化，强调了神经元对这种基础传递形式的敏感性。

一个与分子精神病学领域特别相关的例子是快速起效的抗抑郁药氯胺酮的作用机制。研究表明，通过阻断由自发谷氨酸释放紧张性激活的NMDARs，氯胺酮导致脑源性神经营养因子翻译的去抑制。这是通过eEF2K的失活实现的，该失活解除了其对eEF2的抑制性磷酸化。随后BDNF蛋白的激增促进了突触增强，并被认为有助于氯胺酮的快速抗抑郁效应。此外，最近的一项研究确定了一个平行的信号通路，其中自发谷氨酸释放激活代谢型谷氨酸受体5信号，驱动类似于NMDAR阻断剂氯胺酮的快速抗抑郁效应。这些机制强调了靶向自发神经传递如何能产生药理学诱导的稳态可塑性形式，并介导与精神疾病治疗相关的行为改变。

异步神经传递的谜团

异步神经递质释放代表了一种迷人而神秘的突触通信模式。虽然同步释放提供了对许多神经计算至关重要的快速而精确的信号，但异步释放引入了持续且时间分散的神经递质输出成分，显著拓宽了突触的信号库。尽管其机制独特且在整个神经系统中普遍程度各异，但其功能作用，特别是在兴奋性系统中，仍在积极阐明中。

异步释放的分子异质性异步释放由其时间特征定义：相对于突触前动作电位延迟发作，以及神经递质释放的持续时间延长，可在动作电位后持续数十至数百毫秒，有时甚至数秒。这种时间分散与同步释放的亚毫秒精度形成鲜明对比。异步释放的一个关键特征是其经常被动作电位序列或高频刺激所增强。这种活动依赖性表明异步释放通常是由突触前末梢内残余钙的积累驱动的。

该领域的一个核心假说是，异步释放是由不同的突触前钙传感器介导的，这些传感器拥有与触发快速同步释放的经典突触结合蛋白不同的动力学和亲和力特性。例如，Syt-7已被广泛研究作为异步释放的候选钙传感器。拥有比Syt-1高约十倍的钙亲和力，Syt-7非常适合响应动作电位后较低、更持久的钙水平。然而，Syt-7对异步释放的精确贡献仍然是复杂且可能具有情境依赖性的。虽然一些研究强烈支持其作为异步融合的直接钙传感器的作用，特别是在高频刺激期间，但其他研究提示其作用更间接或支持性。例如，有研究提出，在兴奋性小鼠海马突触处，Syt-7主要通过促进动作电位后突触囊泡的停靠和捕获来促进异步释放，而Doc2a则作为突触前钙传感器专门负责驱动异步释放成分。在这种模型中，基因敲除Doc2a显著降低了单个动作电位后的异步释放，而基因删除Syt-7没有明显效果。增加了这种复杂性的是，另一项已发表的研究提示Synaptotagmin-3是驱动异步释放的另一个钙传感器。作者发现，在小脑和海马突触处，同时删除Syt-3和Syt-7比单独删除任一者导致异步释放更显著的减少。这种分子复杂性和不同传感器的情境依赖性角色表明，异步释放并非单一、统一的过程，而更可能包含一系列具有不同分子基础、针对特定突触需求和活动模式量身定制的释放事件。

异步融合位点的纳米级组织异步释放发生的精确位置相对于突触前活性区和同步释放位点，仍然是一个活跃且经常被争论的研究领域。早期的电生理实验测试不同形式的NMDAR介导的神经传递的使用依赖性阻断，提示由异步和同步释放激活的NMDARs存在重叠。然而，一些使用闪光冷冻电子显微镜的研究观察到，异步事件优先发生在活性区中心附近，并与聚集在突触后密度附近的NMDARs对齐。相反，利用活体光学成像的研究得出了相反的结论，发现异步事件比同步事件更广泛地分布在突触前区域，并覆盖了活性区的更大面积。为了帮助调和这些看似不相容的结果，另一个研究组提出了存在两个空间上不同的异步事件亚群的可能性：一个偏向于活性区中心，另一个发生在功能定义的活性区之外的异位位置。

关于异步释放空间组织的发现差异提出了一个重要问题：异步释放是单一、同质的现象，还是包含了几个空间和/或时间上不同的释放过程？值得注意的是，这些定义异步释放空间组织的研究采用了不同的实验方法，并假设异步释放的机制在不同方法学中保持一致。具体来说，虽然现有文献在各种设置下观察到了异步释放，但迄今为止尚无研究系统地探讨这些操作如何差异性地影响异步释放的时空动力学。这一知识空白是一个关键限制，因为异步神经传递的分子和生物物理特性可能是情境依赖性的，可能以尚未完全理解的方式改变突触输出、可塑性和信息处理。

抑制性突触异步释放的功能意义异步释放是整个中枢神经系统许多抑制性突触中一个显著且具有生理意义的释放模式。一个关键发现是海马胆囊收缩素阳性篮状细胞高度异步的GABA释放，这与小清蛋白阳性篮状细胞主要同步的释放形成鲜明对比。这种显著差异归因于不同的突触前钙通道亚型、钙缓冲能力以及钙源和传感器之间的耦合。重要的是，异步释放的倾向似乎是突触前神经元的固有特性，独立于其突触后伙伴。研究表明，来自CCK阳性中间神经元的异步程度是一致的，无论靶细胞是主神经元还是其他中间神经元。这种靶细胞独立性表明，异步释放是某些突触前终末的硬连线特征，旨在向其局部环路广播特定类型的信号。然而，最近的发现表明，同步和异步释放之间的转换可能是可塑的，兴奋/抑制平衡的变化可能调节释放动力学和信息编码，特别是在衰老和神经退行性疾病的背景下。

除了塑造相位抑制外，异步GABA释放通过从突触溢出激活高亲和力的突触外GABA_A受体来驱动紧张性抑制，从而为网络兴奋性提供持续、弥漫的抑制。这一过程关键受突触囊泡蛋白Synapsin家族的调控。小鼠中Synapsin II的基因缺失导致异步GABA释放的急剧减少，并导致紧张性抑制几乎完全丧失。Syn II的作用对中间神经元亚型具有显著特异性；在CCK阳性中间神经元处，Syn II缺失选择性地抑制异步释放成分，而在PV阳性中间神经元处，其缺失导致释放的去同步化。这突显了像Synapsins这样的蛋白质作为分子调节剂的关键作用，它们定义了抑制性突触处同步和异步释放之间的平衡，从而控制网络兴奋性。

阐明异步释放功能意义的研究集中于听觉脑干，那里时间精度至关重要。研究表明，在鸟类耳蜗核的GABA能突触处，神经传递在生理低刺激频率下从高度同步的模式转变为在生理高刺激频率下主要为连续和去同步化的模式。这种去同步化被证明依赖于末梢内钙的积累和囊泡释放的易化。这些去同步化的释放事件被认为产生了一种平滑、持续的抑制“张力”，最大限度地减少了随机定时的突触前动作电位的影响，从而在强烈活动期间确保一致的突触后抑制。

抑制性异步释放生理相关性的另一个引人注目的例子是小脑深部核团神经元与下橄榄核神经元之间的突触。尽管DCN-IO投射在小脑运动学习中起着至关重要的作用，但其信号传导的特点是缺乏显著的相位同步活动。相反，这些抑制性突触在所有生理测试频率上都异常地由异步活动主导。从DCN到IO神经元的这种持续的异步神经传递似乎支持了一种特殊作用，即提供强大的抑制和对IO神经元放电的微调调节，从而影响下游小脑环路。

兴奋性异步释放难以捉摸的生理状态虽然异步释放是特定抑制性突触中一个既定的、功能显著的特征，但其在兴奋性突触中的作用和普遍性仍然更加难以捉摸，并存在相当多的争论。许多关于强健兴奋性异步释放的证据来自涉及破坏同步释放的基因操作或病理状况的研究，而非在正常生理状态下的观察。

大量研究表明，靶向Syt-1的操作可以在兴奋性突触处解除屏蔽或 dramatically 增强异步释放。Syt-1的基因敲除或敲低不仅消除了快速同步释放，而且通常导致较慢的异步成分增加。这一观察结果导致了这样一个模型：Syt-1不仅触发同步融合，而且还主动抑制或“钳制”异步释放通路，后者在其缺失时被解除抑制。虽然这些基因操作是人为的，但它们揭示了兴奋性末梢具有异步释放的内在能力。

类似地，破坏CSPα可以深刻地改变突触传递。最近的研究使用人胚胎干细胞衍生的谷氨酸能神经元证明，在纯粹的兴奋性网络中，NMDAR介导的传递的出现可以引发内质网应激。这种内质网应激随后下调关键的突触前蛋白，包括Syt-1和CSPα，导致神经递质释放的逐渐去同步化。这些发现令人信服地将兴奋性异步释放的出现与细胞应激或兴奋-抑制失衡的状况联系起来，并表明神经元可能能够以稳态依赖的方式调节其活动和信号传导。

此外，在某些神经退行性疾病（如脊髓性肌萎缩症和阿尔茨海默病）的动物模型中，观察到兴奋性突触处异步释放增强。这种从同步到异步神经传递的转变进一步暗示，显著的异步释放可能常常是处于困境中的突触的一个特征，无论是由于关键突触前释放蛋白的基因扰动、慢性应激还是病理状况。

尽管其经常与人为或病理状态相关联，但已提出兴奋性异步释放的几个潜在生理作用。其中一个功能是产生持续的突触后去极化和放电。异步释放期间谷氨酸的时间分散释放可导致兴奋性突触后电位的总和，引起长时间的去极化，这可能足以在初始突触前刺激停止后很久触发突触后动作电位。这种持续的兴奋性可能特别有效地克服突触后神经元的峰后超极化，从而缩短其相对不应期。除了维持兴奋性外，异步释放还可以直接影响信息传递和神经编码的精度。通过延长神经递质存在于突触间隙的时间窗口，异步释放可以降低单次放电神经传递的时间保真度。然而，这种相同的特性可以在高频放电期间增强信息传递的可靠性，有效地将编码策略从基于精确时序切换到基于放电频率。这表明同步和异步释放之间的平衡可以动态调整信息处理和传递的方式。

一个有趣的可能性是兴奋性异步释放在与工作记忆和运动规划等认知功能相关的大脑网络状态产生和维持中的作用。虽然长期记忆表征被认为存储在神经元环路的突触连接中，但短期或工作记忆表征被认为通过持续的神经元活动来维持，通常由循环网络内的主动回响来维持。海马网络培养物的实验证据表明，异步释放对这一过程至关重要。研究发现，短暂刺激可以引发持续数秒的回响，并且这些回响依赖于由AMPARs介导的循环兴奋。关键是，增强异步释放的成对脉冲刺激在触发回响方面更有效，而用EGTA-AM药理学抑制异步释放则消除了回响。相反，用锶提升异步释放则增强了回响。

基于这一前提，发现敲低Doc2a（一个被提出的异步释放钙传感器）会抑制持续回响活动的发生。这一发现与计算模型研究一致，后者表明由残余突触前钙驱动的增强的异步释放是维持网络回响的关键因素。此外，异步释放已被证明可以通过在某些条件下 paradoxically 同步化神经元群来塑造网络活动，突显了其在调节网络动力学中的复杂作用。兴奋性异步释放参与回响活动是一个引人注目的候选生理功能，并表明至少在某些环路中，异步释放可以贡献于对认知功能（如工作记忆和运动规划）至关重要的涌现网络特性。

慢速神经传递与神经调节

除了由快速作用的神经递质（如谷氨酸和GABA）的同步、异步和自发释放介导的快速、点对点通信之外，神经系统还采用一种独特且同等重要的信号传导模式——慢速神经传递，通常称为神经调节。这种通信形式主要由单胺类（如多巴胺和血清素）、乙酰胆碱以及大量神经肽介导，它按照不同的原理和时间尺度运作，深刻地塑造神经元兴奋性、突