神經(jīng)元去極化反跳現(xiàn)象的研究進(jìn)展*

李凌超， 朱夢葉， 張達(dá)穎△， 柳 濤

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院1疼痛科，2兒科，江西南昌330006)

·綜 述·

神經(jīng)元去極化反跳現(xiàn)象的研究進(jìn)展*

李凌超1， 朱夢葉1， 張達(dá)穎1△， 柳 濤2△

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院1疼痛科，2兒科，江西南昌330006)

去極化反跳;超極化;神經(jīng)元;動作電位

神經(jīng)元受刺激后產(chǎn)生動作電位，并將該刺激信號傳遞給其它的神經(jīng)元，進(jìn)而影響整個神經(jīng)回路。這種接受去極化刺激后能夠產(chǎn)生動作電位的特性，是判斷細(xì)胞是否具有興奮性的標(biāo)準(zhǔn)。然而亦有研究表明，神經(jīng)元在接受超極化刺激后也能爆發(fā)動作電位，被稱為“去極化反跳 (rebound depolarization)”［1-2］。通常超極化使膜電位增大，產(chǎn)生抑制效應(yīng)，使神經(jīng)元興奮性降低，而去極化反跳是由超極化引起的去極化反應(yīng)，有的還能產(chǎn)生動作電位，使神經(jīng)元興奮性增高。本文結(jié)合國、內(nèi)外近年來對神經(jīng)元去極化反跳的基本特性及其機制以及在生理和病理狀態(tài)下作用的研究進(jìn)展加以綜述。

1 去極化反跳的基本特性及產(chǎn)生和調(diào)控機制

當(dāng)正離子由膜內(nèi)向膜外轉(zhuǎn)運(如腺苷A1受體激活后引起的鉀離子外流［3］)或負(fù)離子由膜外向膜內(nèi)轉(zhuǎn)運(如甘氨酸和γ-氨基丁酸受體激活后引起的氯離子內(nèi)流［4］)時，可引起膜內(nèi)正電荷流出膜外，這種外向電流可使膜電位增大，發(fā)生超極化。去極化反跳被定義為神經(jīng)元細(xì)胞膜在接受超極化刺激后出現(xiàn)的短暫去極化現(xiàn)象，部分神經(jīng)元在該去極化的基礎(chǔ)上可爆發(fā)動作電位［5-6］。

去極化反跳現(xiàn)象已在許多不同區(qū)域的神經(jīng)元上記錄到，例如中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腦區(qū)，包括新皮質(zhì)中間神經(jīng)元［7］、大腦皮質(zhì)錐體神經(jīng)元［8］、基底神經(jīng)節(jié)腹側(cè)蒼白球神經(jīng)元［9］、嗅球上的神經(jīng)元［10］、上橄欖旁核神經(jīng)元［11］、丘腦［12-13］、下丘腦［14］、海馬［15］、腦干起搏器神經(jīng)元［16］和小腦［12］等;中樞神經(jīng)系統(tǒng)的脊髓區(qū)包括脊髓前角運動神經(jīng)元［17］、脊髓背角感覺神經(jīng)元［2，18］。周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)核團及神經(jīng)節(jié):三叉神經(jīng)中腦核［19］、位聽神經(jīng)的耳蝸螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞［20］及前庭神經(jīng)節(jié)細(xì)胞［21］。

雖然去極化反跳在不同區(qū)域神經(jīng)元上報道過，但這些報道依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對去極化反跳的分類也不盡相同，具體如下:在大直徑的深部小腦核神經(jīng)元細(xì)胞上，根據(jù)去極化反跳的放電頻率和模式，將其分為transient burst和weak burst，前者的放電頻率為(58.6±7.83)Hz，后者為(11.7±1.17)Hz［22］。

在脊髓背角神經(jīng)元上，根據(jù)去極化反跳頻率改變的時程分為 T-反跳(transient high-frequency rebound)和S-反跳(slow rebound)兩類。T-反跳的特點是放電頻率短暫地升高后迅速地下降，而S-反跳放電頻率則緩慢地衰減;根據(jù)去極化反跳的閾下振幅大小分為低振幅反跳［(4.0±0.4)mV］及高振幅反跳［(19.3±1.3)mV］［18］。

我們實驗室在前期研究(尚未發(fā)表)中也發(fā)現(xiàn)，約40%的脊髓背角Ⅱ?qū)幽z狀質(zhì)區(qū)(substantia gelatinosa，SG)神經(jīng)元具有去極化反跳，根據(jù)去極化反跳的振幅和放電頻率等參數(shù)，我們將SG神經(jīng)元的去極化反跳分為兩大類:閾下去極化反跳與反跳放電，后者又可分為transient burst和weak burst(圖1)。

Figure 1.Classification of rebound depolarization(RD)in SG neurons.圖1 SG神經(jīng)元去極化反跳分類

去極化反跳的產(chǎn)生是由于超極化刺激引起低閾值T型鈣通道開放后，鈣離子內(nèi)流導(dǎo)致去極化，達(dá)到動作電位產(chǎn)生閾值后，爆發(fā)放電［23］。超極化激活的陽離子電流(Ih)和T型鈣電流(IT)是影響去極化反跳的重要離子機制［24-25］。實驗表明，在沒有鈣離子的人工腦脊液灌流下，超極化刺激不能誘發(fā)出反跳電流，說明去極化反跳需要鈣離子的參與［18］。TTAP2(特異性T型鈣通道阻斷劑)能阻斷突觸抑制和注入電流誘發(fā)的去極化反跳［22］;mibefradil及其衍生物NNC 55-0396(選擇性T型鈣通道阻斷劑)能部分阻斷反跳電流;高濃度的NiCl2(T型鈣通道阻斷劑)能完全阻斷去極化反跳［18］。以上研究證實:Ih和IT是去極化反跳產(chǎn)生的基礎(chǔ)。除了Ih和IT，可能還有其它電流參與去極化反跳，例如電壓門控鈉電流、延遲整流鉀電流和漏電流［25］。

研究表明在小腦核神經(jīng)元上，去極化反跳的大小和超極化刺激的強度、持續(xù)時間成正比［26］。Ih和IT在調(diào)節(jié)去極化反跳的頻率、時程和精度中起著不同的作用［25］。Ih決定反跳的振幅、潛伏期和精度。Ih和低振幅反跳相關(guān)，不容易引發(fā)放電。Ih越大，反跳放電潛伏期越短，因此加速反跳的起始，促進(jìn)IT介導(dǎo)的反跳，增強IT產(chǎn)生反跳放電的能力。另外，Ih通過降低膜時間常數(shù)增加第1個反跳放電的精度［18］。

電壓依賴性鈣通道分為L型、N型、P/Q型、R型和T型，其中，T型鈣通道調(diào)控反跳的振幅和放電頻率，與高振幅和高頻的去極化反跳放電相關(guān)。因為高振幅反跳神經(jīng)元的放電閾值更低，更容易去極化，興奮性更高，所以高振幅反跳通常引起高頻放電。IT能很大程度上增加反跳的振幅和放電，是決定反跳放電分型及閾下反跳振幅的關(guān)鍵因素［18］。其它因素包括Ih和IT在早期時相調(diào)節(jié)反跳反應(yīng)，小腦核神經(jīng)元的非失活L型鈣電流通過激活谷氨酸受體能增加晚期時相的反跳頻率［27］。還有研究表明去極化反跳受持續(xù)性鈉電流調(diào)節(jié)［28］。

2 去極化反跳在生理狀態(tài)下的作用

去極化反跳現(xiàn)象在神經(jīng)元的生理狀態(tài)下廣泛存在［29］。在離體實驗中，證實了脊髓神經(jīng)元存在去極化反跳現(xiàn)象［30］，后來有文獻(xiàn)記載在體實驗中，脊髓神經(jīng)元同樣存在該現(xiàn)象［31］。

去極化反跳對許多脊髓背角神經(jīng)元來說是固有的特性，能參與整合脊髓軀體感覺信息。反跳現(xiàn)象有助于神經(jīng)元形成編碼的特性，通過調(diào)節(jié)放電的時間和頻率決定對軀體感覺的處理。Rivera-Arconada等［18］認(rèn)為具有去極化反跳的神經(jīng)元可能參與外周刺激強度的識別以及抑制-興奮信息間的轉(zhuǎn)換。

實驗研究表明，蝙蝠延遲調(diào)音的信號在下丘腦產(chǎn)生，和反跳反應(yīng)同時發(fā)生，在一個聲音信號末尾反跳興奮的重疊導(dǎo)致時程調(diào)諧。去極化反跳在聽覺和視覺信息的傳遞過程中發(fā)揮著重要作用，使神經(jīng)元更容易突發(fā)放電，并且能夠精確地傳播感覺信號［11，20，32-33］。

有關(guān)三叉神經(jīng)的研究發(fā)現(xiàn)，三叉神經(jīng)低頻共振的發(fā)生來源于神經(jīng)元超極化引起的反跳反應(yīng)，而且證實了三叉神經(jīng)的低頻共振由Ih產(chǎn)生，并且該Ih可被ZD7288阻斷［19］。

前庭神經(jīng)元放電的特性與Ih相關(guān)。有動物實驗表明大鼠前庭神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中有9%的細(xì)胞記錄到反跳放電，而且Ih電流密度增加能使激活時間常數(shù)降低，是發(fā)育期前庭神經(jīng)元放電性質(zhì)改變的基礎(chǔ)［21］。

3 去極化反跳在病理狀態(tài)下的研究發(fā)現(xiàn)

錐體神經(jīng)元的去極化反跳引起的過度興奮是癲癇發(fā)生的機制之一［8］。癲癇失神發(fā)作以在丘腦-皮質(zhì)回路中釋放的3赫茲棘慢波(spike-and-wave discharge，SWD)為特征，丘腦網(wǎng)狀核神經(jīng)元的突發(fā)放電被認(rèn)為能產(chǎn)生和維持丘腦皮層的振蕩，導(dǎo)致SWD。T型鈣通道的激活可引發(fā)丘腦網(wǎng)狀核神經(jīng)元固有的和節(jié)律性的突發(fā)放電，然而，實驗證明，把小鼠T型鈣通道敲除，使突發(fā)放電完全消失，卻發(fā)現(xiàn)在丘腦網(wǎng)狀核神經(jīng)元上增加的Tonic放電似乎足以產(chǎn)生藥物誘導(dǎo)的SWD，這可以質(zhì)疑丘腦網(wǎng)狀核神經(jīng)元突發(fā)放電在SWD產(chǎn)生中的作用，說明反跳性突發(fā)放電不是失神發(fā)作所必需的，需要重新思考癲癇失神發(fā)作的機制［34］。

在帕金森疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)丘腦神經(jīng)元放電活躍的時候，黑質(zhì)傳入的抑制性電位不足以產(chǎn)生反跳放電，然而，隨著突發(fā)的或一系列快速的反跳放電則可誘發(fā)低水平的興奮，這可能是帕金森產(chǎn)生和傳遞的病理學(xué)基礎(chǔ)。在帕金森小鼠模型中觀察到，同步的突發(fā)放電可誘發(fā)低閾值反跳放電(low-threshold spike，LTS)。事實上在帕金森病人中觀察到高度的LTS放電，因此清醒狀態(tài)下丘腦神經(jīng)元過多的LTS放電可能是帕金森患者運動功能失調(diào)尤其是震顫的產(chǎn)生原因［35］。

缺氧可以引起大鼠小腦浦肯野細(xì)胞短暫的超極化，然后出現(xiàn)短暫的去極化和持續(xù)超極化。由于缺氧時能量代謝障礙導(dǎo)致三磷酸腺苷水平降低，激活三磷酸腺苷敏感的鉀離子通道引起鉀離子外流，以及谷氨酸(興奮性氨基酸)能突觸傳遞的迅速抑制，腺苷釋放增多而激活腺苷A1受體引起缺氧性超極化。缺氧性去極化被認(rèn)為是神經(jīng)元缺氧性損傷的觸發(fā)機制，芍藥苷能對抗缺氧引起的興奮性氨基酸過度釋放，阻斷鈉離子通道，抑制浦肯野細(xì)胞缺氧性去極化的幅度和時程，并延長浦肯野細(xì)胞膜電位缺氧性反應(yīng)的潛伏期，表明芍藥苷能增強浦肯野細(xì)胞的缺氧耐受性，有利于維持小腦環(huán)路的穩(wěn)定輸出，從而具有神經(jīng)保護(hù)意義［3］。

Ih和/或IT介導(dǎo)的去極化反跳可調(diào)控SG神經(jīng)元興奮性，參與疼痛局部神經(jīng)回路的調(diào)制，進(jìn)而影響痛覺信息的傳遞，抑制去極化反跳的發(fā)生可能是脊髓鎮(zhèn)痛機理之一。已有研究表明，去極化反跳與 Ih和IT相關(guān)，而Ih及IT的活化與疼痛密切相關(guān)［25］。SD大鼠坐骨神經(jīng)結(jié)扎導(dǎo)致Ih表達(dá)增加，而且在疼痛期間神經(jīng)興奮性增高，應(yīng)用介導(dǎo)Ih的超極化激活的環(huán)核苷酸門控通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide gated channels，HCN)特異性阻斷劑ZD7288后Ih表達(dá)減少，疼痛緩解［36］。在初級傳入神經(jīng)元中，IT主要通過Cav3.2亞型與軀體和內(nèi)臟傷害性過程廣泛相關(guān)［37］。在不同疼痛模型中的T型鈣通道表達(dá)比例顯著上升，IT阻斷后，在外周［38-39］和脊髓［40］水平都可有效緩解觸誘發(fā)痛及機械痛敏。

4 現(xiàn)狀和展望

目前對去極化反跳基本特性的研究已取得了一定的成果，該現(xiàn)象作為神經(jīng)元細(xì)胞膜的固有特性，在調(diào)控細(xì)胞興奮性、突觸可塑性及局部回路功能中起到的關(guān)鍵作用已被證實，但是去極化反跳的分類與神經(jīng)元上Ih、IT及其相應(yīng)通道亞型表達(dá)的關(guān)系仍不清楚。其具體作用及機制仍需神經(jīng)電生理與免疫組化、Western blot以及RT-PCR技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)實驗研究。深入研究神經(jīng)元去極化反跳，將為治療疾病的藥物研發(fā)帶來新的契機。

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(責(zé)任編輯:盧 萍，羅 森)

Research progress in rebound depolarization of neurons

LI Ling-chao1，ZHU Meng-ye1，ZHANG Da-ying1，LIU Tao2

(1Department of Pain Clinic，2Department of Pediatrics，The First Affiliated Hospital of Nanchang University，Nanchang 330006，China.E-mail:liutaomm@hotmail.com;zdy@medmail.com.cn)

Rebound depolarization is a special phenomenon of the neurons which generates action potential followed by a hyperpolarization stimulation.It can be recorded in many kinds of neurons and is the intrinsic membrane characteristic of them.Rebound depolarization plays an important role in regulating the firing pattern，rhythmic activity and synaptic plasticity of neurons.This review focuses on the basic characteristics，the function and mechanism of the rebound depolarization in physiological and pathological conditions，which provides reference for the clinical treatment of rebound depolarization-related diseases.

Rebound depolarization;Hyperpolarization;Neurons;Action potentials

R363

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2016.07.030

1000-4718(2016)07-1331-05

2015-12-28

2016-05-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.81560198;No.81260175);南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(No.cx2015166)

△柳 濤Tel:0791-88692139;E-mail:liutaomm@hotmail.com;張達(dá)穎Tel:0791-88692578;E-mail:zdy@medmail.com.cn