光遺傳技術(shù)及其在基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動(dòng)調(diào)控中的應(yīng)用研究進(jìn)展

宋茹 劉曉莉 喬德才

北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（北京 100875）

光遺傳技術(shù)及其在基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動(dòng)調(diào)控中的應(yīng)用研究進(jìn)展

宋茹 劉曉莉 喬德才

北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（北京 100875）

基底神經(jīng)節(jié)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的皮層下中樞之一，通過(guò)直接和間接通路參與動(dòng)作的選擇、優(yōu)化、整合與精確調(diào)節(jié)。基底神經(jīng)節(jié)兩條通路調(diào)節(jié)功能紊亂與帕金森等疾病導(dǎo)致的行為功能障礙有關(guān)。光遺傳技術(shù)具有可對(duì)特定神經(jīng)元在時(shí)間、空間上進(jìn)行精確調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)環(huán)路、神經(jīng)遞質(zhì)以及各類(lèi)退行性疾病和精神疾病的研究中。本文僅就國(guó)內(nèi)外光遺傳技術(shù)及其在基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動(dòng)調(diào)控中的應(yīng)用研究進(jìn)展做一綜述。

光遺傳技術(shù)；基底神經(jīng)節(jié)；運(yùn)動(dòng)調(diào)控；中樞疲勞

光遺傳學(xué)（optogenetics）也稱光刺激基因工程（optical stimulate plus genetic engineering），是將光學(xué)技術(shù)和分子遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合后形成的一種新興技術(shù)。神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)的研究方法都存在著一些不足，如電生理學(xué)方法記錄到的膜電位變化并不是神經(jīng)元真正的放電情況，且電刺激對(duì)神經(jīng)元的操控也缺乏特異性；而藥理學(xué)的方法雖然可以特異地作用于某一類(lèi)型神經(jīng)元，但藥物作用過(guò)程需要一定的時(shí)間，常常會(huì)錯(cuò)過(guò)神經(jīng)元的編碼時(shí)段，缺乏時(shí)間準(zhǔn)確性。光遺傳技術(shù)克服了以上這些缺點(diǎn)，能夠利用光照刺激光敏感蛋白在特定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體內(nèi)某一特定神經(jīng)元活動(dòng)及功能的毫秒級(jí)控制，因此被視為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域一種變革性的研究手段。研究人員將光遺傳技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究、運(yùn)動(dòng)調(diào)控及神經(jīng)病理機(jī)制等方面，取得了一系列的成果。

1 光遺傳技術(shù)的發(fā)展

Crick曾于1979年提出，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)是急需開(kāi)發(fā)出一種新的控制技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)該在不改變其他細(xì)胞的前提下，特定地使某一類(lèi)型的所有細(xì)胞失活[1]，但他并沒(méi)有對(duì)其具體操作方法進(jìn)行描述。其實(shí)，早在1971年就有人發(fā)現(xiàn)了一種微生物單成分光激活的離子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin，BR）[2，3]，隨后人們又相繼發(fā)現(xiàn)了更多的微生物視蛋白家族成員（包括與膜結(jié)合的離子泵和通道），如鹽細(xì)菌視紫紅質(zhì)（halorhodopsin，HR）[4]和通道視紫紅質(zhì)（channelrhodopsin，ChR）[5，6]，它們可在光照作用下使各種離子通過(guò)細(xì)胞膜。這些視蛋白的發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)Click提出的設(shè)想提供了可能。

然而，許多技術(shù)上的難題阻礙了該設(shè)想的實(shí)現(xiàn)，如外源性微生物膜蛋白對(duì)哺乳動(dòng)物神經(jīng)元會(huì)產(chǎn)生毒性傷害：進(jìn)入細(xì)胞的光子流太弱、速度太慢，不足以發(fā)揮預(yù)期的調(diào)節(jié)作用；更重要的是微生物視蛋白需要在化學(xué)輔助因子全反式視黃醛的幫助下才能吸收光子信號(hào)。直到2005年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Deisseroth的研究小組[7]首次將一種單成分微生物視蛋白轉(zhuǎn)入哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)毫秒級(jí)動(dòng)作電位穩(wěn)定且持續(xù)的控制，隨之相關(guān)的研究也相繼出現(xiàn)[8-10]，至此光遺傳技術(shù)初具雛形。該研究小組發(fā)現(xiàn)，不僅胚胎組織和視網(wǎng)膜中存在大量類(lèi)視黃醇，成熟哺乳動(dòng)物大腦、脊柱中也有所表達(dá)[11，12]，且包含了足夠的全反式視黃醛，這為微生物視蛋白在這些組織中作為單成分光控原件調(diào)控跨膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。到2010年，多種可通透離子的微生物視蛋白如BR、HR、ChR和一種可與G蛋白耦聯(lián)發(fā)揮效應(yīng)的視蛋白o(hù)ptoXR都被用作光遺傳技術(shù)的工具，大大拓展了光遺傳技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，研究者可利用依賴Cre重組酶構(gòu)建的視蛋白表達(dá)病毒載體以及在特定細(xì)胞內(nèi)選擇性表達(dá)Cre重組酶的各品系小鼠資源，用光照操控在體的各種類(lèi)型細(xì)胞活動(dòng)。此外，光遺傳技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于神經(jīng)科學(xué)，還被廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)如干細(xì)胞、心肌細(xì)胞、肌肉組織等諸多研究領(lǐng)域中。

2 光遺傳技術(shù)的基本原理與方法

光遺傳技術(shù)的關(guān)鍵是相關(guān)基因的單基因操控，涉及到很多相關(guān)學(xué)科的技術(shù)，如光敏感蛋白技術(shù)、將光敏

感蛋白編碼基因轉(zhuǎn)入目的細(xì)胞的技術(shù)、定向光控技術(shù)，以及各種可穩(wěn)定輸出信號(hào)的方法，如熒光或編碼電活動(dòng)的指示器、電信號(hào)記錄、功能性核磁共振成像（functional Magnetic Resonance Image，fMRI）、行為學(xué)的定量分析等（圖1）。

圖1 光遺傳技術(shù)流程示意圖

光敏感蛋白是光遺傳技術(shù)的工具[13]（圖2），根據(jù)作用原理不同可分為兩種類(lèi)型：I型和II型視蛋白。BR、HR、ChR都屬于I型視蛋白，即光感受和離子電導(dǎo)均由同一分子完成。BR是迄今為止被研究最多的光敏感蛋白，可以把質(zhì)子從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。而從鹽堿古菌中分離出的抑制性光敏感蛋白NpHR，可被黃光激活開(kāi)放通道，允許Cl-通過(guò)，使細(xì)胞產(chǎn)生超極化[14]，目前已被應(yīng)用于哺乳動(dòng)物[15，16]。NpHR2.0和NpHR3.0是NpHR的兩種變體，其對(duì)膜的靶向性和光電流幅值及在細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率有所提高[17，18]。1991年ChR2在萊茵衣藻中被發(fā)現(xiàn)，它是一種藍(lán)光激活的非選擇性陽(yáng)離子通道，其開(kāi)放需要全反式視黃醛的輔助作用。藍(lán)光照射下，全反式視黃醛輔助因子吸收光子發(fā)生構(gòu)象變化，使ChR2通道打開(kāi)，引起Na+內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化[5]。2005年Deisseroth[7]首次將ChR2表達(dá)于海馬CA1/CA3區(qū)，發(fā)現(xiàn)光照僅使海馬內(nèi)神經(jīng)元興奮，且未導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。為提高ChR2在腦內(nèi)的表達(dá)量，使其介導(dǎo)的光電流更加穩(wěn)定并減少長(zhǎng)時(shí)間光照導(dǎo)致的ChR2脫敏現(xiàn)象，研究者又開(kāi)發(fā)出了各種各樣的單成分光遺傳技術(shù)工具，如ChETA、波長(zhǎng)紅移的C1V1、步態(tài)功能視蛋白（SFOs）等[19，20]。II型視蛋白o(hù)ptoXRs吸收光子后必須耦聯(lián)到G蛋白上才能產(chǎn)生光所引起的效應(yīng)，利用optoXRs可對(duì)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行光學(xué)調(diào)控[21]。另外，將多種具有不同激發(fā)波長(zhǎng)的光敏感蛋白同時(shí)在細(xì)胞中表達(dá)，可分別控制不同類(lèi)型神經(jīng)元的活動(dòng)；若具有興奮性和抑制性的光敏感蛋白同時(shí)表達(dá)于同一類(lèi)型的神經(jīng)元中，可分別興奮或抑制同一類(lèi)型神經(jīng)元的活動(dòng)[14]。

圖2 各種視蛋白作用原理示意圖[13]

各種類(lèi)型視蛋白被開(kāi)發(fā)后，如何將視蛋白運(yùn)輸進(jìn)入體內(nèi)就成了另一個(gè)需要攻克的難題。現(xiàn)已發(fā)明很多將光敏感基因運(yùn)載至體內(nèi)并有效表達(dá)成光敏感蛋白的技術(shù)，如病毒表達(dá)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。病毒表達(dá)系統(tǒng)可以使光敏感蛋白在動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)期且穩(wěn)定地表達(dá)，但該方法的局限性是運(yùn)載的最大基因片段長(zhǎng)度有限，所用到的啟動(dòng)子不能超過(guò)4kb且需具有特異性，而這樣的啟動(dòng)子種類(lèi)較少[17]。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物雖然突破了病毒對(duì)于運(yùn)載長(zhǎng)度的限制，但培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高；現(xiàn)大多優(yōu)先使用表達(dá)Cre重組酶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物[22-24]。

光運(yùn)輸技術(shù)是光遺傳技術(shù)的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。體外實(shí)驗(yàn)常采用水銀弧光燈、激光、發(fā)光二極管（LED）進(jìn)行多位點(diǎn)的光照刺激；而在體實(shí)驗(yàn)多將光纖[25]或高能量的LED套管[26]植入到動(dòng)物體內(nèi)，通過(guò)激光給予清醒活動(dòng)的動(dòng)物以光照刺激。

研究者將光照刺激與單細(xì)胞電生理記錄相結(jié)合以從被光控制的組織上獲取信息。最初在動(dòng)物麻醉狀態(tài)下，光照刺激后由鎢電極收集神經(jīng)元電活動(dòng)信息[27]；后來(lái)的硅酮多位點(diǎn)電極[28]可采集在體情況下神經(jīng)元的電活動(dòng)；而雙質(zhì)子繪圖技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光刺激與神經(jīng)元放電活動(dòng)的同步記錄[29]。此外，還可通過(guò)觀察光照刺激后動(dòng)

物的行為變化，評(píng)價(jià)神經(jīng)元功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。光遺傳技術(shù)與信息輸出技術(shù)的結(jié)合極大地促進(jìn)了完整且復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)研究。

3 光遺傳技術(shù)與基底神經(jīng)節(jié)的運(yùn)動(dòng)調(diào)控

3.1 基底神經(jīng)節(jié)與運(yùn)動(dòng)調(diào)控

基底神經(jīng)節(jié)主要包括紋狀體（striatum，Str）、蒼白球外側(cè)部（external globus pallidus，GPe）、蒼白球內(nèi)側(cè)部/黑質(zhì)網(wǎng)狀部復(fù)合體（GPi/SNr）、黑質(zhì)致密部（substantia nigra pars，SNc）和丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）等5個(gè)部分。它們接受皮層的大量投射，將信息加工處理后，最終經(jīng)丘腦（thalamus，Thal）返回皮層。其中紋狀體接受大部分大腦皮層向基底神經(jīng)節(jié)的谷氨酸能投射，是基底神經(jīng)節(jié)的信息傳入結(jié)構(gòu)；而蒼白球內(nèi)側(cè)部/黑質(zhì)網(wǎng)狀部復(fù)合體將各核團(tuán)整合的信息統(tǒng)一投射向丘腦，是基底神經(jīng)節(jié)的信息傳出結(jié)構(gòu)。皮層和基底神經(jīng)節(jié)之間主要由3條通路對(duì)信息進(jìn)行整合和處理，即超直接通路（Ctx-STN-GPi/SNr-Thal-Ctx）、直接通路（Ctx-Str-GPi/SNr-Thal-Ctx）和間接通路（Ctx-Str-GPe-STN-GPi/SNr-Thal-Ctx）[30]。另外，黑質(zhì)與紋狀體之間還存在一個(gè)多巴胺能投射的微環(huán)路，黑質(zhì)向紋狀體的投射主要有兩條傳出通路：一條作用于含多巴胺I型受體（D1DR）的紋狀體中等棘狀神經(jīng)元（medium spiny neuron，MSNs）（D1-MSNs），對(duì)直接通路起促進(jìn)作用；另一條作用于含多巴胺II型受體（D2DR）的MSNs（D2-MSNs）上，對(duì)間接通路起抑制作用。該微環(huán)路向紋狀體釋放多巴胺的總效應(yīng)是減少基底神經(jīng)節(jié)對(duì)丘腦的抑制，促進(jìn)丘腦-皮層投射神經(jīng)元的活動(dòng)[31，32]。

基底神經(jīng)節(jié)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的皮層下中樞之一，并不直接發(fā)起或執(zhí)行運(yùn)動(dòng)功能，而是起著整合、優(yōu)化、精確調(diào)節(jié)的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)肌張力、聯(lián)合運(yùn)動(dòng)和維持姿勢(shì)，與小腦一起配合皮層完成運(yùn)動(dòng)功能的執(zhí)行。大量研究表明[33，34]，由于疾病或?qū)嶒?yàn)誘導(dǎo)致使基底神經(jīng)節(jié)損傷后，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)缺乏、行動(dòng)遲緩或非隨意運(yùn)動(dòng)的癥狀，包括舞蹈癥、手足徐動(dòng)癥、運(yùn)動(dòng)障礙和肌張力障礙等，這樣的結(jié)果可以從基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路的直接、間接通路角度進(jìn)行解釋。直接通路過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致丘腦-皮層的去抑制，從而出現(xiàn)不協(xié)調(diào)或非隨意運(yùn)動(dòng)，如亨廷頓舞蹈癥（Huntington’s disease，HD）；而間接通路的相對(duì)過(guò)度激活將最終導(dǎo)致丘腦-皮層的過(guò)度抑制，從而阻止或妨礙運(yùn)動(dòng)、影響認(rèn)知的傳出過(guò)程[33]，如帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）。那么，正常生理狀態(tài)下基底神經(jīng)節(jié)在運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行過(guò)程中到底起了怎樣的作用呢？早期的假說(shuō)支持基底神經(jīng)節(jié)參與習(xí)得運(yùn)動(dòng)順序的自動(dòng)執(zhí)行過(guò)程[35]，但基底神經(jīng)節(jié)是否儲(chǔ)存運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，或僅負(fù)責(zé)調(diào)動(dòng)存儲(chǔ)于其他腦區(qū)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，并進(jìn)行不斷地轉(zhuǎn)換尚無(wú)確切的研究結(jié)果?，F(xiàn)在基本形成的假說(shuō)是基于Mink的觀點(diǎn)：基底神經(jīng)節(jié)在促進(jìn)隨意運(yùn)動(dòng)發(fā)生、抑制競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)作出現(xiàn)的過(guò)程中起著十分重要的作用[36]。之后的研究也一直致力于驗(yàn)證該假說(shuō)的正確性。

3.2 光遺傳技術(shù)在基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制研究中的應(yīng)用

3.2.1 基底神經(jīng)節(jié)直接與間接環(huán)路作用的機(jī)制

基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路的經(jīng)典模型認(rèn)為，基底神經(jīng)節(jié)通過(guò)兩條神經(jīng)通路的平衡來(lái)整合和精確調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，但這種假設(shè)一直沒(méi)有得到直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。Kravitz等[37]采用光遺傳技術(shù)，通過(guò)ChR2激活小鼠基底神經(jīng)節(jié)的直接通路，發(fā)現(xiàn)小鼠的移動(dòng)速率、時(shí)間、頻率明顯增加；而激活間接通路時(shí)，結(jié)果卻相反，且小鼠做精細(xì)動(dòng)作的比例減少，為上述假說(shuō)提供了直接證據(jù)。Cui等[38]結(jié)合光遺傳技術(shù)和時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)D1-MSNs和D2-MSNs均處于激活狀態(tài)；Xin等[39]也發(fā)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)序列起始和結(jié)束時(shí)D1-MSNs和D2-MSNs均被激活。但Freeze等[40]卻發(fā)現(xiàn)，不論用藍(lán)光激活哪條通路的MSNs，黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元的放電頻率部分升高，部分降低，并未表現(xiàn)出一致的興奮狀態(tài)或抑制狀態(tài)。這一研究結(jié)果支持了與經(jīng)典模型不相矛盾的另一個(gè)假說(shuō)，即兩條通路的平衡在動(dòng)作的選擇過(guò)程中均起著重要作用，直接通路易化計(jì)劃的運(yùn)動(dòng)，而間接通路抑制競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)作的出現(xiàn)，兩者共同調(diào)節(jié)著基底神經(jīng)節(jié)信息輸出的時(shí)間精確性[41]。之后，Tecuapetla等[42]在對(duì)小鼠頭部同側(cè)和對(duì)側(cè)偏轉(zhuǎn)行為進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，抑制基底神經(jīng)節(jié)其中一條通路將會(huì)損害小鼠向?qū)?cè)偏轉(zhuǎn)，而同側(cè)偏轉(zhuǎn)不受影響；同時(shí)抑制兩條通路時(shí)，小鼠向?qū)?cè)偏轉(zhuǎn)的行為消失更偏向于同側(cè)轉(zhuǎn)向。這些結(jié)果充分表明，基底神經(jīng)節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)的調(diào)控功能遠(yuǎn)比我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的更為復(fù)雜。

3.2.2 基底神經(jīng)節(jié)功能紊亂與帕金森病運(yùn)動(dòng)障礙的關(guān)系

PD是一種神經(jīng)退行性疾病，主要臨床癥狀是靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)徐緩、肌肉僵直和姿勢(shì)步態(tài)異常等。PD的發(fā)病機(jī)制尚未明確，但目前認(rèn)為黑質(zhì)致密部多巴胺神經(jīng)元變性缺失及紋狀體多巴胺水平降低是誘導(dǎo)PD發(fā)生的早期原因[43，44]。研究表明，PD動(dòng)物模型的紋狀體神經(jīng)元自發(fā)放電頻率增高[45]，丘腦底核神經(jīng)元高頻放電與爆發(fā)式放電增多[46]，因此提出了PD發(fā)病可能是由黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能系統(tǒng)活性減弱，皮層-紋狀體谷氨酸能系統(tǒng)活性增強(qiáng)所致，而調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活性的神經(jīng)遞質(zhì)首當(dāng)其沖，遞質(zhì)失衡可能是導(dǎo)致此現(xiàn)象發(fā)生的原因[47]。

近來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)，利用光遺傳技術(shù)刺激野生型小鼠紋狀體D2-MSNs時(shí)出現(xiàn)了震顫等PD癥狀，而刺激

PD模型小鼠紋狀體的D1-MSNs則得到緩解[37]，初步證實(shí)了PD病理狀態(tài)下間接通路興奮性升高、直接通路興奮性降低可能是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙的原因，并提出激活直接通路可以作為今后PD的一種治療方案。腦深部刺激（deep brain stimulation，DBS）近幾年被用于PD患者的手術(shù)治療以緩解其運(yùn)動(dòng)障礙[48]，但這種治療手段在細(xì)胞水平的機(jī)制并不清楚且存在爭(zhēng)議。Gradinaru等[49]用光照逐個(gè)刺激或抑制自由活動(dòng)PD模型小鼠的丘腦底核神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和纖維投射的不同回路，發(fā)現(xiàn)只有刺激丘腦底核傳入纖維時(shí)震顫等癥狀才得以緩解，提示DBS緩解PD癥狀的可能機(jī)制與間接通路的活性改變有關(guān)，這為今后使用光遺傳技術(shù)治療PD疾病提供了可能性。

4 光遺傳技術(shù)在運(yùn)動(dòng)性疲勞中樞機(jī)制研究中的應(yīng)用展望

運(yùn)動(dòng)性疲勞長(zhǎng)期以來(lái)一直是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)疲勞機(jī)制的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了由外周到中樞的復(fù)雜過(guò)程。早期的研究多圍繞循環(huán)、代謝、肌肉及營(yíng)養(yǎng)等外周因素與運(yùn)動(dòng)性疲勞之間的關(guān)系展開(kāi)，近年來(lái)的研究表明，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉工作能力的下降是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)法充分驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所致[50]。本實(shí)驗(yàn)室圍繞運(yùn)動(dòng)疲勞中樞機(jī)制展開(kāi)了一系列研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)大腦皮層處于廣泛抑制狀態(tài)[51]，紋狀體高頻、爆發(fā)式放電活動(dòng)顯著增加[52，53]，蒼白球外側(cè)部神經(jīng)元低頻爆發(fā)式放電比例明顯增加[54]，丘腦底核神經(jīng)元疲勞早期時(shí)過(guò)度興奮[51]，蒼白球內(nèi)側(cè)部/黑質(zhì)網(wǎng)狀部復(fù)合體神經(jīng)元電活動(dòng)則明顯增加[55，56]。由此推測(cè)，運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)基底神經(jīng)節(jié)間接通路可能處于過(guò)度激活狀態(tài)[57]，作用的靶點(diǎn)可能在紋狀體D2-MSNs，但由于傳統(tǒng)研究手段無(wú)法區(qū)分紋狀體MSNs兩類(lèi)神經(jīng)元的確切功能而難以定論。未來(lái)可利用光遺傳技術(shù)靶向性地操控紋狀體D1-MSNs和D2-MSNs兩類(lèi)神經(jīng)元的興奮或抑制過(guò)程，并將光遺傳技術(shù)與在體多通道電生理信號(hào)采集技術(shù)相結(jié)合，闡明直接、間接通路在運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生、發(fā)展、恢復(fù)過(guò)程中調(diào)控作用的差異性，初步構(gòu)建基底神經(jīng)節(jié)相關(guān)核團(tuán)對(duì)運(yùn)動(dòng)疲勞貢獻(xiàn)率的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；另外，還可以結(jié)合腦片膜片鉗技術(shù)，探究運(yùn)動(dòng)疲勞對(duì)不同類(lèi)型神經(jīng)元突觸可塑性的影響，從突觸水平揭示運(yùn)動(dòng)疲勞的可能機(jī)制，為進(jìn)一步闡釋基底神經(jīng)節(jié)在運(yùn)動(dòng)疲勞中樞調(diào)控中的作用提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為尋找延緩運(yùn)動(dòng)疲勞產(chǎn)生的新靶向藥物提供科學(xué)依據(jù)。

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2016.03.08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31571221），北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（5142012）

喬德才，Email：decaiq@bnu.edu.cn