三叉神經(jīng)中腦核神經(jīng)元興奮性的非線性特征.pdf

1、興奮性是神經(jīng)元最重要的基本性質(zhì)之一。長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)盡管人們對(duì)興奮性的表現(xiàn)方式，通道電流機(jī)制及其變化規(guī)律有相當(dāng)深入的研究，然而對(duì)于神經(jīng)元在刺激條件下為什么會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，在相同離子電流參于下何以出現(xiàn)多種多樣的放電模式，以及噪聲對(duì)興奮性的作用等基本問(wèn)題仍然了解得很少。本項(xiàng)研究通過(guò)電生理實(shí)驗(yàn)與非線性理論的結(jié)合，對(duì)幾個(gè)涉及興奮性的基本問(wèn)題展開(kāi)了探索性研究，以揭示興奮性的主要非線性特征，深入認(rèn)識(shí)興奮性的本質(zhì)過(guò)程。 第一部分三叉神經(jīng)中腦核（M

2、es V） 神經(jīng)元興奮性的分類與轉(zhuǎn)型興奮性是指可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作電位(action potential，AP)的能力。傳統(tǒng)觀念以閾值高低或產(chǎn)生AP 的多少衡量興奮性的高低。1948年Hodgkin 在研究甲殼類動(dòng)物軸突的時(shí)候，首次按放電頻率與刺激電流強(qiáng)度之間的關(guān)系將興奮性分為三種類型，但未引起足夠的注意。80 年代以來(lái)隨著非線性理論與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，理論學(xué)家們運(yùn)用數(shù)學(xué)模型論證了興奮性的分類與其動(dòng)力學(xué)機(jī)制。然而在實(shí)際的

3、神經(jīng)元，特別是哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元，是否存在興奮性分類以及分類形成的機(jī)制和內(nèi)在聯(lián)系尚不清楚。本項(xiàng)研究對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探試，不僅在哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元上證實(shí)了興奮性的分類，還發(fā)現(xiàn)了興奮性轉(zhuǎn)型現(xiàn)象。顯然隨著對(duì)興奮性分類的深入研究，必將超越傳統(tǒng)觀念的局限性，為進(jìn)一步探索興奮性的內(nèi)在本質(zhì)過(guò)程奠定基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)選擇幼鼠三叉神經(jīng)中腦核（Mes V）神經(jīng)元為標(biāo)本，在利用紅外直視顯微鏡結(jié)合電生理膜片鉗（電流鉗和電壓鉗）和藥理學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上展開(kāi)。

4、 主要結(jié)果： 1、對(duì)140 個(gè)Mes V 神經(jīng)元施加去極化方波刺激，觀察到三種興奮性類型。 1 類興奮性神經(jīng)元（9/140）：閾值電流較低，放電前存在潛伏期，放電頻率隨著刺激電流強(qiáng)度的增強(qiáng)而逐漸增加。2 類神經(jīng)元（55/140）：閾值電流較高，首個(gè)AP 之前沒(méi)有潛伏期，達(dá)到閾值后，AP 成串出現(xiàn)，放電頻率對(duì)刺激電流的強(qiáng)度相對(duì)不敏感。3 類神經(jīng)元（76/140）：不僅閾值電流較高，通常只產(chǎn)生1 個(gè)AP，高強(qiáng)度刺激( >

5、 1000 pA) 才產(chǎn)生3－5 個(gè)AP。 2、去極化斜波刺激：1 類神經(jīng)元的放電頻率隨著膜電位的逐漸去極化由低到高，呈線性增加，動(dòng)作電位之前沒(méi)有出現(xiàn)閾下膜電位振蕩(SMPO)。2類神經(jīng)元在膜電位去極化的過(guò)程中出現(xiàn)了SMPO，放電頻率相對(duì)恒定。3 類神經(jīng)元沒(méi)有出現(xiàn)AP。 3、50 μM 4-AP(低劑量選擇性阻斷I4-AP) 分別使2 類和3 類興奮性神經(jīng)元轉(zhuǎn)變?yōu)? 類神經(jīng)元。 4、2 μM riluzol

6、e (一種持續(xù)Na+通道(INaP) 非特異性阻斷劑)能使2 類神經(jīng)元轉(zhuǎn)變?yōu)? 類神經(jīng)元，對(duì)3 類神經(jīng)元卻無(wú)明顯影響。 5、當(dāng)4-AP阻斷I4-AP使2 類興奮性神經(jīng)元轉(zhuǎn)型變?yōu)? 類時(shí)，隨后再施加riluzole，此時(shí)阻斷INaP不是恢復(fù)I4-AP，卻可使1 類興奮性返回到2 類興奮性。當(dāng)riluzole使2 類興奮性神經(jīng)元轉(zhuǎn)變?yōu)? 類，繼之再施加4-AP，此時(shí)阻斷I4-AP不是恢復(fù)INaP，又可使其返回2 類。我們把上述興奮

7、性分類轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱之為興奮性轉(zhuǎn)型(transformation of excitability)。 6、在上述神經(jīng)元興奮性轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，可出現(xiàn)具有不同類型混合特征的復(fù)雜放電模式，我們稱之為中間態(tài)(intermittent phenomiral)。 7、鉀通道阻斷劑TEA(20 mM)，Ih電流特異阻斷劑ZD 7288(10 μM)以及鈣通道阻斷劑Cd2+(300 μM)對(duì)興奮性的類型沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。 8、

8、2 類和3 類神經(jīng)元的I4-AP在激活電壓位置、V1/2和k三方面存在顯著性差異。當(dāng)去極化達(dá)到并且超過(guò)-56 mV以后，I4-AP在2 類興奮性神經(jīng)元中的平均幅值明顯地小于3 類神經(jīng)元中的平均幅值。2 類和3 類神經(jīng)元的INaP在上述三方面以及平均幅值上沒(méi)有顯著性差異。 9、Mes V 神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型近似地模擬了實(shí)驗(yàn)中所觀察到的興奮性分類和轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，揭示了興奮性分類與動(dòng)力學(xué)分岔之間的關(guān)系(數(shù)學(xué)模型工作由劉一輝博士完成，詳見(jiàn)其博

9、士論文)。 主要結(jié)論： 1、首次證實(shí)Mes V 神經(jīng)元存在三種興奮性類型，并且用去極化斜波方式能簡(jiǎn)便地檢測(cè)興奮性類型。 2、發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元興奮性轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，揭示了介導(dǎo)Mes V神經(jīng)元興奮性轉(zhuǎn)型的主要離子通道機(jī)制是I4-AP and INaP 相對(duì)比例的動(dòng)態(tài)變化。 3、在興奮性轉(zhuǎn)型過(guò)程中可出現(xiàn)“中間態(tài)”放電模式。 4、興奮性分類與轉(zhuǎn)型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型的理論驗(yàn)證。 第二部分噪聲

10、提高M(jìn)es V 神經(jīng)元興奮性及其與共振性質(zhì)的關(guān)系近年神經(jīng)科學(xué)與非線性科學(xué)交叉研究的一項(xiàng)重大進(jìn)展，是發(fā)現(xiàn)適當(dāng)強(qiáng)度的噪聲可以增強(qiáng)感受器對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。理論模型研究進(jìn)一步提示神經(jīng)元可以通過(guò)隨機(jī)共振或自共振方式接受噪聲的影響。實(shí)際上，神經(jīng)元生存在噪聲環(huán)境，如離子通道的隨機(jī)開(kāi)閉，遞質(zhì)的隨機(jī)釋放等。然而在腦內(nèi)，神經(jīng)元的活動(dòng)是否以及如何接受噪聲的影響卻了解很少。 部分神經(jīng)元存在對(duì)輸入頻率選擇性放大的性質(zhì)，即頻率共振(frequencyr

11、esonance)性質(zhì)，閾下膜電位振蕩被看作是頻率共振放大的表現(xiàn)。本研究通過(guò)觀察與比較噪聲對(duì)上述三類興奮性神經(jīng)元的作用，揭示噪聲對(duì)興奮性的作用及其與共振性質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)而為深入闡明噪聲在神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制提供了新的線索。 實(shí)驗(yàn)材料與方法除與第一部分相同外，增加了高斯白噪聲和ZAP（一種幅值恒定而頻率隨時(shí)間連續(xù)線性增加的正弦電流）兩種細(xì)胞內(nèi)注入刺激方式。 主要結(jié)果： 1、2 類興奮性神經(jīng)元出現(xiàn)了雙重的電壓依賴性共振，

12、即存在高低兩個(gè)共振主頻：其中去極化達(dá)-50mV 時(shí)共振主頻為75.4 ± 2.11 Hz，超極化達(dá)-70mV 時(shí)的共振主頻為5.46 ± 0.31 Hz。 2、50 μM 4-AP 可使高頻共振主峰消除，但不影響低頻共振主峰。10 μM ZD7288 可使低頻共振主峰消除，但不影響高頻共振主峰。 3、1 類神經(jīng)元上沒(méi)有觀察到明顯的共振現(xiàn)象。 4、部分(13/21)3 類神經(jīng)元上也存在高低兩個(gè)共振主頻，主頻位

13、置和共振電流與2 類神經(jīng)元近似。 5、在2 類興奮性神經(jīng)元，一定強(qiáng)度范圍內(nèi)的噪聲，能夠降低出現(xiàn)SMPO 的膜電位水平，其降低程度隨噪聲強(qiáng)度而增大。 6、在2 類興奮性神經(jīng)元，一定強(qiáng)度范圍內(nèi)的噪聲降低產(chǎn)生首個(gè)AP 的膜電位水平。當(dāng)噪聲強(qiáng)度增大時(shí)不僅AP 閾值降低程度增大，而且放電數(shù)目增加，放電節(jié)律性也相應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)達(dá)到最佳噪聲強(qiáng)度時(shí)(range: 150-250，n = 10)，放電節(jié)律性與噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)性(β值)最

14、佳；隨后，噪聲繼續(xù)增大，放電數(shù)目雖然增多，放電序列卻雜亂無(wú)序，關(guān)聯(lián)性下降。 7、riluzole 抑制2 類神經(jīng)元SMPO 的同時(shí)也消除噪聲對(duì)神經(jīng)元的興奮性作用。 8、噪聲對(duì)1 類(n = 12)和3 類(n = 20)神經(jīng)元沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。 主要結(jié)論： 1、2 類興奮性神經(jīng)元分別在去極化與超極化水平存在兩個(gè)共振主頻，分別由I4-AP和Ih介導(dǎo)。 2、噪聲能夠通過(guò)降低出現(xiàn)SMPO和放電

15、閾值的膜電位水平來(lái)提高2 類神經(jīng)元的興奮性，并改善放電的節(jié)律性。 3、噪聲對(duì)2 類神經(jīng)元興奮的調(diào)變作用依賴于SMPO 的存在，其通道電流機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。 第三部分坐骨神經(jīng)“起步點(diǎn)” 反應(yīng)性與動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的關(guān)系長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)處于靜息背景狀態(tài)下的神經(jīng)元對(duì)刺激的反應(yīng)規(guī)律有了相當(dāng)充分的了解，然而，對(duì)處于活動(dòng)（放電）狀態(tài)下的神經(jīng)元的刺激反應(yīng)規(guī)律卻了解得較少。本研究室的前期工作以及相關(guān)研究表明神經(jīng)元的反應(yīng)依賴于放電節(jié)

16、律的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。 加周期分岔過(guò)程是可興奮細(xì)胞中的一個(gè)非線性現(xiàn)象。本研究力圖判定當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)處于分岔不同時(shí)相的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)時(shí)，其反應(yīng)性(也稱興奮性)可能發(fā)生的變化。 實(shí)驗(yàn)采用單纖維記錄技術(shù)，引導(dǎo)大鼠受損坐骨神經(jīng)“起步點(diǎn)”的放電活動(dòng)，改變細(xì)胞外液中Ca2＋離子濃度，使“起步點(diǎn)”放電活動(dòng)分別處于不同的動(dòng)力學(xué)時(shí)相。局部施加方波電場(chǎng)刺激。 主要結(jié)果： 1、在受損坐骨神經(jīng)的A 類纖維上成功復(fù)制了加周期分岔的全過(guò)程，并可

17、區(qū)分臨近分岔點(diǎn)與遠(yuǎn)離分岔點(diǎn)等不同時(shí)相。 2、在遠(yuǎn)離分岔點(diǎn)時(shí)相對(duì)神經(jīng)纖維施加去極化方波電場(chǎng)刺激，隨著刺激強(qiáng)度的增加，放電頻率近似線性增加，放電模式基本不變；在臨近分岔點(diǎn)時(shí)相，施加與上述相同的去極化刺激，當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)放電頻率顯著增加，伴有放電模式的轉(zhuǎn)化。臨近分岔點(diǎn)的刺激－反應(yīng)曲線較遠(yuǎn)離分岔點(diǎn)的曲線顯著上移。 3、在臨近分岔點(diǎn)時(shí)相，施加相同強(qiáng)度的超極化刺激僅輕度降低放電頻率，也沒(méi)有出現(xiàn)放電模式的轉(zhuǎn)化。 主要結(jié)論：