α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

大脑依赖于兴奋神经元与抑制神经元的信号之间微妙的平衡。当这种平衡过度向兴奋倾斜时，结果可能会导致癫痫发作——这是一种突然爆发的电活动，会破坏正常的生理功能。为了维持这种稳定性，大脑利用一种被称为中间神经元的特殊细胞，它们充当着神经系统的“刹车”。这些细胞会释放一种被称为 GABA 的化学信使，从而减缓相邻神经元的活动，防止它们过度快速地放电。为了让这个刹车系统发挥作用，中间神经元必须能够检测到电信号的到达，并立即释放其化学载荷。这一过程依赖于细胞膜上被称为钙通道的微小孔隙，这些通道允许钙离子进入以触发释放。然而，这些通道通常需要更小的伴侣蛋白来协助其正常工作，科学家们仍在深入研究这些伙伴关系在不同大脑区域中究竟是如何运作的。

一支研究团队最近将注意力转向了一种特定的伴侣蛋白——alpha-2-delta-2，它属于一类辅助钙通道的分子家族。他们重点研究了海马体（一个对记忆至关重要的脑区）中一组由 parvalbumin 蛋白标记的抑制性细胞。这些 parvalbumin 阳性细胞以富含 alpha-2-delta-2 伴侣蛋白而闻名，且此前的研究表明，缺失这种蛋白质的小鼠会遭受自发性癫痫发作。研究人员希望了解这种缺失的伴侣蛋白与癫痫之间的机械性联系。他们提出了疑问：该伴侣蛋白的缺失仅仅是减少了这些“刹车细胞”的数量，还是破坏了这些细胞内部使其能够释放镇静化学物质的机制？

为了找到答案，科学家们准备了缺乏 alpha-2-delta-2 蛋白的小鼠脑组织薄片，并将其与正常小鼠的切片进行对比。他们首先观察了齿状回（海马体中的一个特定区域）的整体活动情况。他们发现，在缺失该蛋白的小鼠中，信号的平衡发生了偏移：相对于抑制性信号，兴奋性信号变得更强了。为了观察这是否是因为“刹车细胞”无法有效放电，研究人员使用了一种称为光遗传学的技术，该技术允许科学家用光来控制特定细胞的开启与关闭。当他们通过光照射来激活 parvalbumin 阳性细胞时，正常小鼠表现出强烈的抑制性信号释放。相比之下，缺乏 alpha-2-delta-2 蛋白的小鼠产生的抑制性电流显著减小，这表明这些细胞在履行职责方面显得十分吃力。

随后，团队调查了这些细胞是单纯地消失了，还是虽然存在但功能失调。通过对组织进行染色以使细胞可视化，他们发现，在突变型小鼠中，这些抑制性细胞与目标神经元之间的连接确实变少了。然而，问题比仅仅失去连接还要严重。即使是保留下来的连接，其功能也受到了损害。研究人员测量了细胞释放化学信使的可能性，发现突变型小鼠的这一数值显著降低。此外，他们还观察到，与正常小鼠相比，准备释放的化学包裹（即囊泡）的数量也变少了。

最后，科学家们检查了钙通道与囊泡释放之间的耦合程度。通过操纵细胞内外的钙水平，他们证明了在缺乏 alpha-2-delta-2 蛋白的细胞中，钙离子的进入与随后的抑制性化学物质释放之间的联系要弱得多。该研究得出结论：这种特定的伴侣蛋白对于将钙离子的进入与抑制性信号的释放进行耦合至关重要。如果没有它，这个刹车系统就会变得低效，导致大脑更容易出现被称为癫痫发作的失控电风暴。研究结果表明，在这些小鼠身上观察到的癫痫发作不仅是由于抑制性细胞数量减少造成的，更是因为剩余细胞在通信和释放镇静信号的方式上发生了根本性的崩溃。