引言：寻找大脑的“油门”与“刹车”
当我们思考大脑如何工作时，两个氨基酸分子——谷氨酸（Glu）和γ-氨基丁酸（GABA）——扮演着核心角色，它们分别是神经信号传递中主要的“油门”（兴奋性）和“刹车”（抑制性）。但在上世纪中叶，这一认识远非今天这般清晰。在乙酰胆碱（ACh）之后，所有神经递质的发现都经历了一段漫长旅程。本文作者，一位拥有65年神经科学研究经验的学者，亲身见证并推动了这一历程，其工作重点正是谷氨酸和GABA的定位研究。
1.1 萌芽：从奥斯陆神经解剖学派到海马体研究
1959年，作者在奥斯陆大学医学院求学，受教于“奥斯陆神经解剖学派”的核心人物，特别是极具启发性的细胞学与组织学老师Per Andersen。Andersen强调敏锐观察、结构是功能理解的基础，并引导作者进入了实验室。最初的工作是使用乙酰胆碱酯酶（AChE）组织化学方法，在七鳃鳗的神经肌肉接头处观察运动终板的美丽形态，这使作者迷上了显微镜。随后，在Theodor W. Blackstad的指导下，作者详细绘制了海马体中AChE的分布图，这为理解胆碱能神经支配提供了早期线索。然而，很明显，乙酰胆碱和当时新发现的单胺类递质（如去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺）并非大脑皮层主要神经元之间快速信息传递的递质。那么，驱动大脑的“油门”和“刹车”究竟是什么化学物质？
当时已有线索。谷氨酸对大脑有兴奋作用，但其普遍存在和广泛代谢角色使其特异性受到质疑。相反，大脑中富含一种非蛋白质氨基酸——GABA，它由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶（GAD）一步脱羧产生。GABA具有抑制作用，并被认为是“因子I”中的活性成分，但它在能量代谢中的可能角色（“GABA分流”）使其递质身份存疑。
2. 抑制性与兴奋性突触的定位与结构外观
利用对海马生理和结构的了解，Per Andersen与John Eccles合作证明，对海马锥体细胞体的抑制信号由短轴突的中间神经元通过反馈环路传递。这些突触在电镜下呈“Gray II型”（对称型）。这是大脑中抑制性突触的首次生理与超微结构描述。几年后，Andersen团队又通过海马中四个连续兴奋性通路的例子表明，兴奋性突触位于神经细胞树突的棘状突起上，具有突触后致密区（PSD），即“Gray I型”（不对称型）突触。这些研究为兴奋与抑制的形态学关联提供了坚实证据。值得一提的是，该论文的最后作者Terje Lømo在同一时期发现了如今广为人知的长时程增强（LTP） 现象。
3. γ-氨基丁酸——大脑中的抑制性递质
3.1 GABA在抑制性突触终末的生产
为了探究抑制性终末（如海马篮状细胞终末）释放的递质，作者与Frode Fonnum合作，检验GABA合成酶GAD是否在已知接收抑制性输入的部位富集。当时尚无组织化学或免疫细胞化学方法可用。他们采用了Oliver Lowry的微量技术，从冷冻干燥的脑切片中显微解剖微小样本（0.05–2 μg），在水平安装的石英纤维天平上称重，并利用改良的Albers和Brady法测定GAD活性。他们首次发现，在大鼠海马锥体细胞和颗粒细胞体周围，GAD活性显著富集。进一步的局部损毁实验表明，GAD的减少是由于轴突切断所致，而非直接损伤，提示GABA合成局限于中间神经元。
更关键的证据来自对小脑的研究。小脑皮层唯一的传出神经元——浦肯野细胞，其轴突投射到同侧前庭神经外侧核（Deiters核）和小脑中央核，并传递单突触抑制信号。作者团队通过损毁小脑皮层（破坏浦肯野细胞），发现投射到前庭外侧核和小脑中央核的轴突具有高GAD活性，而对照侧则无。亚细胞分级分离表明GAD集中在突触体中。这是GABA在大脑抑制性神经元神经末梢选择性合成的第一个明确证据 ，表明GABA不仅仅是一个代谢“旁路”。这些发现于1969年在米兰举行的第二届国际神经化学学会会议上发表，引起了广泛关注。
3.2 质膜上的GABA摄取
放射自显影显示GABA可被摄入其他假定的抑制性神经元终末以及星形胶质细胞。损毁实验证明，GABA摄取载体与GAD一样，在GABA能终末富集，但在不同通路中富集程度不同。后来的研究纯化了质膜GABA转运体（GAT），其抗体选择性定位于GABA能神经元的终末和轴突以及星形胶质细胞突起，证实了早期的摄取研究。
3.3 谷氨酸脱羧酶（GAD）的免疫细胞化学与特性
重要的是，GAD被从小鼠大脑中纯化，并在Eugene Roberts的实验室产生了抗体。使用抗GAD抗体的免疫细胞化学研究在光镜和电镜水平提供了高分辨率定位，结果与作者团队的定量活性和损毁研究高度一致，突出了小脑核中GAD阳性的浦肯野细胞终末、小脑小球中的高尔基细胞终末以及海马中推测的篮状细胞终末“斑点”。后来发现两种GAD亚型（GAD65和GAD67）具有不同的基因、分布和调控机制。
3.4 通过免疫细胞化学定位GABA
1983年，作者团队在《自然》杂志上发表了使用特异性氨基酸抗体对GABA进行定位的研究。通过戊二醛固定蛋白，在经苛刻处理以让反应物进入小泡内部的组织样本中，突触小泡内充满了免疫反应性。随后的工作表明，细胞质中的GABA免疫反应性与GAD免疫反应性非常相似。Peter Somogyi和Peter Streit小组的抗体也为此领域做出了重要贡献。
3.5 GABA向突触小泡的转运——VGAT
Fykse和Fonnum首次证明了GABA可被摄入分离的突触小泡，该摄取由ATP产生的质子电化学梯度驱动。囊泡GABA转运体（VGAT）是首个在分子水平被鉴定的囊泡氨基酸转运体，这项工作相当引人注目。研究人员通过激光微束逐个杀死线虫的26个“GABA表达”神经元，导致运动不协调。其中一种突变体unc-47表现为GABA囊泡摄取和突触释放缺失。从unc-47基因推导出的蛋白质序列预测有10个跨膜结构域，与已知囊泡单胺或乙酰胆碱转运体无相似性。用UNC-47序列筛选大鼠大脑cDNA文库，鉴定出一个开放阅读框，其编码的蛋白能积累[3 H]GABA，特性与天然大鼠脑突触小泡已知特性相似，故被命名为VGAT。
3.6 VGAT与VIAAT
另一组研究人员采用略有不同的克隆方法，在完整转染细胞中检测摄取，观察到[3 H]甘氨酸和[3 H]GABA的摄取，因此将这种转运体命名为囊泡抑制性氨基酸转运体（VIAAT）。VIAAT（SLC32A1）是SLC32家族目前唯一的哺乳动物成员。VGAT/VIAAT对GABA和甘氨酸的高Km值（毫摩尔级别）与终末内至少10 mM的高氨基酸浓度相符。
3.7 VGAT/VIAAT的定位
使用Edwards实验室制备的抗体，作者团队检查了VGAT/VIAAT的定位，并与自己的GABA和甘氨酸抗体进行了比较。强标记出现在大脑和脊髓中所有已识别的GABA能神经末梢，而其胞体和树突标记微弱或缺如。突触连接（只要可识别）均为对称型。已识别的谷氨酸能末梢则无标记。有趣的是，海马苔藓纤维末梢尽管是谷氨酸能的，却也含有GABA，但却不表达VGAT。然而，这些末梢中的GABA与谷氨酸一样定位于突触小泡，提示存在GABA进入突触小泡的替代机制。
已识别的甘氨酸能末梢也对VGAT呈阳性，但通常弱于单独或与甘氨酸共存的GABA能终末。对经三种抗体处理的相邻超薄切片组进行标记显示，含有VGAT的终末也含有GABA和甘氨酸（但比例不同），表明两种氨基酸可以在同一突触共同释放。
3.8 GABA与甘氨酸的共释放——“两种递质的故事”
在作者团队的工作投稿后，Peter Jonas及其同事发表论文，报告了脊髓运动神经元上中间神经元突触共释放两种抑制性递质。一部分微型抑制性突触后电流（mIPSCs）同时具有荷包牡丹碱敏感和士的宁敏感的组分，提示甘氨酸和GABA从同一个突触小泡中共释放 到GABAA 受体和甘氨酸受体上。甘氨酸的反应比GABA更快、持续时间更短。这种双重递质释放的可能功能是通过调整小泡中两种递质的比例来微调反应。这可能是首次证明两种快速神经递质被共释放的实例。
3.9 GABA受体
GABA受体包括开启氯离子通道的门控型受体（GABAA 和GABAC ）以及通过G蛋白偶联的代谢型受体（GABAB ）。寻找合适的拮抗剂和激动剂对受体表征至关重要。从罂粟科植物中分离的生物碱荷包牡丹碱，被证明是首个良好的门控型GABA受体拮抗剂。而美丽的毒蝇伞真菌则为我们提供了原型GABA激动剂蝇蕈醇。
GABAA 受体可能是配体门控离子通道超家族中最复杂的，拥有大量由不同受体亚基蛋白类型组合而成的类型，以及多种与受体结合位点相互作用的配体。调节剂包括苯二氮卓类、乙醇、全身麻醉剂、巴比妥类药物和类固醇等重要药物。GABAB 受体则由Norman G. Bowery发现，由其激动剂（-）氯苯胺丁酸定义。GABAB 受体位于突触前和突触后，通过G蛋白与钾、钙通道以及cAMP的形成偶联。活性GABAB 受体是GABAB R1和GABAB R2亚基蛋白的异源二聚体。
3.10 GABA在非中枢神经系统及其他方面的作用
GABA以及其合成酶、转运体和受体也存在于中枢神经系统之外，在许多地方可能发挥着类似递质的信号作用。例如，作者团队在肠道神经系统 中显示了含GABA的神经元。在肠粘膜上皮中发现了对GABA（而非甘氨酸）免疫反应性的肠内分泌细胞 。肠道微生物组也产生GABA，可能对大脑和身体健康产生重要影响。
胰腺中的朗格汉斯岛 就像一个“微型大脑”，拥有制造、释放和回收GABA、甘氨酸以及谷氨酸的机制。A细胞和B细胞的分泌颗粒和类突触小微泡（SLMVs）中都含有GABA和甘氨酸，比例不同。对大脑中回收谷氨酸和GABA至关重要的谷氨酰胺转运体SN1（SLC38A3）和SA1（SAT2，SLC38A2）分别在B细胞和A细胞中高表达。VGLUT2局限于A细胞，而VGLUT3则定位于A细胞和B细胞的分泌颗粒及SLMVs。出人意料的是，EAAT2（通常局限于质膜）定位于含胰岛素的分泌颗粒膜上。数据显示，EAAT2将谷氨酸带回B细胞胞质，防止胰岛素颗粒胞吐时谷氨酸流失到周围环境。
大鼠棕色和白色脂肪沉积的脂肪细胞 含有谷氨酸和GABA以及谷氨酸能和GABA能神经传递所需的组分，提示神经内分泌功能。VGAT和VGLUT1位于包括SLMVs在内的囊泡细胞器膜上，这与递质的调节性胞吐释放一致。
输卵管 富含GABA，定位于粘膜层的上皮细胞中。输卵管中GABA的分泌似乎有助于精子的获能，并作用于精子顶体的GABAA 受体。
早期，作者团队在洄游于咸水和淡水之间、通过释放或产生GABA调节细胞体积的鱼类（比目鱼）的红细胞 中发现了高浓度的GABA和GAD活性。氨基酸在哺乳动物大脑中也是重要的渗透调节剂。
4. 谷氨酸——大脑中的兴奋性递质
4.1 高浓度与兴奋作用
到1975年加州的GABA会议时，学界已基本认同GABA可能是大脑中主要的抑制性神经递质。但对于兴奋性对应物是什么，以及“去抑制”的概念（当两个抑制性神经元串联时产生兴奋）仍有大量讨论。会议组织者Eugene Roberts指出了一个明显的事实：“你不可能只靠抑制来运行一个神经系统！ ”
通过微离子电泳技术，谷氨酸已被证明能兴奋中枢神经系统广泛区域中几乎所有被测试的神经元。天门冬氨酸是大脑中天然存在的另一种二羧基氨基酸，也具有兴奋作用。谷氨酸在大脑中整体浓度很高，大约10 mmol/L，天门冬氨酸约为其四分之一。在脑亚细胞组分中，这些氨基酸主要存在于胞质溶胶中，但分离的神经末梢（突触体）含有可观的数量。重要的是，谷氨酸被证明能从激活的大脑皮层表面释放。
与GABA类似，关于谷氨酸的关键数据来自对无脊椎动物突触的研究，特别是节肢动物的神经肌肉突触。到1969年，已有断言：“谷氨酸是螯虾、龙虾和蝗虫神经肌肉接头处兴奋性递质化合物的主要候选者。”这些以及来自脊椎动物大脑的其他间接证据，使得Krešimir Krnjević在《自然》杂志上写道：“现在有大量证据表明，L-谷氨酸和GABA最重要的功能是分别作为兴奋性和抑制性神经递质。”
4.2 高亲和力钠依赖性谷氨酸摄取，作为推定谷氨酸能轴突终末的标记物
在脊椎动物大脑中取得进展的一个障碍是缺乏在显微镜下识别推定性谷氨酸能神经末梢的标记物。与GABA（由GAD特异性产生）的情况不同，没有已知的单一酶负责为神经递质功能合成谷氨酸。然而，脑组织的一个已知特征是逆浓度梯度摄取谷氨酸。这种摄取的一个组分依赖于钠离子，对谷氨酸具有微摩尔级亲和力，被认为是递质失活的机制。20世纪70年代初，钠依赖性“高亲和力”谷氨酸摄取（HAGU）被研究，并被假设为谷氨酸能神经末梢的特征。
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