環(huán)境溫度對中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動的影響

鄧昕旸，晁 賀，王 勇，王麗文，梁傳成

(沈陽師范大學a.生命科學學院,b.實驗教學中心,中國 沈陽 110034)

環(huán)境溫度對中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動的影響

鄧昕旸a，晁 賀a，王 勇b，王麗文a，梁傳成a

(沈陽師范大學a.生命科學學院,b.實驗教學中心,中國 沈陽 110034)

應用微電極電生理技術記錄不同環(huán)境溫度下中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動,觀察環(huán)境溫度對中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動的影響，探討生理性體溫調節(jié)在中華蟾蜍體溫調節(jié)中的作用.結果，中華蟾蜍間腦松果體和下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電頻率和放電幅度隨環(huán)境溫度的升高而升高，呈興奮性變化，相關顯著，表明松果體和下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元對高溫環(huán)境較敏感，參與了降溫過程的體溫調節(jié)，但下丘腦視前區(qū)前部較松果體變化明顯；下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率和放電幅度隨溫度的升高而降低，呈抑制性變化，相關顯著，表明下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元對低溫敏感，參與了升溫過程的體溫調節(jié).

環(huán)境溫度;中華蟾蜍；間腦；電活動；體溫調節(jié)

動物感知外界溫度，躲避對自身有害的氣候環(huán)境，調節(jié)體溫，維持內環(huán)境的穩(wěn)定[1].恒溫動物通過下丘腦體溫調定點的調節(jié)機制引起產熱和散熱活動，還可改變代謝速率，以維持體溫的相對穩(wěn)定.變溫動物則通過行為性體溫調節(jié)方式來維持自身的優(yōu)選最適溫度[2-5]，它們的體溫在一定范圍內隨環(huán)境溫度的變化而變化[6].研究表明，變溫動物的體溫與環(huán)境溫度呈正相關，但在環(huán)境溫度較低時體溫略高于環(huán)境溫度，環(huán)境溫度較高時體溫又略低于環(huán)境溫度，說明變溫動物除具有行為性體溫調節(jié)能力外，還具有一定的生理性體溫調節(jié)能力[7-8].

大量的哺乳動物體溫與體溫調節(jié)機制研究表明其體溫調節(jié)中樞位于下丘腦視前區(qū)[9-16].而有關變溫動物體溫的生理性調節(jié)研究相對較少，Charles等在對蜥蜴的實驗研究中發(fā)現(xiàn)，松果復合體對環(huán)境溫度的變化很敏感，可能具有溫度調節(jié)作用[17].Kenia 和Lui在對兩棲類和爬行類動物的實驗中發(fā)現(xiàn),下丘腦被損毀的牛蛙(Ranacatesbeiana)其正常的體溫調節(jié)行為受到干擾；注射脂多糖并不能使下丘腦視前區(qū)損毀的蟾蜍其體溫發(fā)生改變[18].尹書明等人研究發(fā)現(xiàn)，荒漠沙蜥具有一定程度的生理性調節(jié)體溫能力,下丘腦視前區(qū)參與了荒漠沙蜥對體溫的調節(jié)整合過程[19].王喆等人發(fā)現(xiàn)荒漠沙蜥松果復合體通過調節(jié)褪黑激素的分泌影響產熱和體溫變化,以此來影響和參與體溫調節(jié)[20].由此可見，下丘腦作為變溫動物的體溫調節(jié)中樞已經(jīng)得到初步證實，間腦的松果體也參與了變溫動物的生理性體溫調節(jié)，但還缺乏足夠證據(jù).為此，作者以中華蟾蜍Bufogargarizans為實驗對象，運用微電極電生理技術,記錄中華蟾蜍間腦松果體、下丘腦視前區(qū)前部和后部神經(jīng)元在不同環(huán)境溫度下的電活動,觀察環(huán)境溫度對其神經(jīng)元電活動的影響，探討其在體溫調節(jié)中的作用，豐富變溫動物生理性體溫調節(jié)的資料.

1 材料和方法

1.1 實驗動物

實驗用中華蟾蜍購自沈陽醫(yī)學院，為體質量35～40 g的雄性成體.室內養(yǎng)殖,養(yǎng)殖溫度為(22±2) ℃,箱內水深2 cm,自然光照.隔日向養(yǎng)殖箱內投放面包蟲.實驗中每個溫度梯度各用中華蟾蜍5只.實驗后，實驗動物上交實驗中心統(tǒng)一處理，實驗過程符合相關法律法規(guī)規(guī)定及道德倫理要求.

1.2 實驗方法

1.2.1 溫度控制裝置 控溫系統(tǒng)為自制的控溫裝置[21].該裝置為一個長40 cm,寬20 cm,高15 cm，壁厚1.8 cm具有保溫性的聚苯乙烯盒.盒蓋上有2個圓形小孔,一個用于固定溫度計實時監(jiān)測裝置內溫度,另一個小孔用于玻璃微電極及引導電極導線進出口.盒內溫度由放置不等量的冰塊來控制，盒內溫度能達到實驗要求溫度±1 ℃,每個溫度梯度可維持6～9 h.

1.2.2 電生理記錄 對中華蟾蜍間腦松果體、視前區(qū)前部、視前區(qū)后部3個部位神經(jīng)元應用微電極電生理技術在6個不同環(huán)境溫度 (5，10，15，20，25和30 ℃)的放電活動進行在體胞外記錄.將用鹽酸普魯卡因局麻后的中華蟾蜍固定于解剖板上,常規(guī)手術方法快速暴露間腦.滴加任氏液后置于已調好溫度的溫度控制裝置內,馴化1 h后進行電生理實驗記錄放電活動.用WF-2型微電極推進器(西北光學儀器廠)將內充3 mol/L KCl尖端直徑小于1 μm、阻抗5～20 MΩ的玻璃微電極分別插入松果體、視前區(qū)前部、視前區(qū)后部3個部位.電極記錄位置以松果體橫向和縱向中軸線為0，松果體：0前300 μm，0后500 μm，左右300 μm，深度為0～200 μm；下丘腦視前區(qū)前部：0前200 μm，左右130 μm，深度為1 000～1 500 μm；下丘腦視前區(qū)后部：0后100 μm，左右130 μm，深度為1 050～1 450 μm.放電信號經(jīng)由WF-IB型高阻微電極放大器(成都儀器廠)放大后進入RM6240型(成都儀器廠)信號采集處理系統(tǒng),在計算機上觀察并記錄3個部位神經(jīng)元的電活動.每個溫度梯度記錄3 h.實驗后統(tǒng)計間腦不同部位神經(jīng)元在不同溫度下的放電單位數(shù)量、放電頻率和放電幅度，并對環(huán)境溫度與間腦神經(jīng)元的電活動進行相關性分析.

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 實驗結果用Office 2010 Excel繪圖,SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析.數(shù)據(jù)用平均值±標準差(X±SD)表示.用單因素方差分析(one-way ANOVA)分析組間差異，多重比較采用Tukey檢驗.P<0.05即認為差異極顯著.

2 結果

2.1 環(huán)境溫度對中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動的影響

實驗在間腦3個部位共記錄了982個放電單位，其中松果體305個，下丘腦視前區(qū)前部317個，下丘腦視前區(qū)后部360個.結果顯示(圖1)松果體和視前區(qū)前部的變化一致，其放電活動隨著環(huán)境溫度的升高而增加.視前區(qū)后部神經(jīng)元放電活動隨環(huán)境溫度的升高而降低.

圖1 不同環(huán)境溫度下間腦3個部位神經(jīng)元的電活動Fig.1 Bufo gargarizans evoked discharge of neurons in the pineale, anterior preoptic area and posterior preoptic areas neurons at different ambient temperatures

2.2 環(huán)境溫度對中華蟾蜍間腦神經(jīng)元放電頻率和放電幅度的影響

不同環(huán)境溫度下間腦3個部位神經(jīng)元放電幅度和放電頻率的變化見圖2和圖3.松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元放電頻率的變化趨勢一樣，隨著環(huán)境溫度的升高而加大.但視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電頻率在環(huán)境溫度達20 ℃時明顯高于松果體.視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率則隨環(huán)境溫度的增高而降低.不同環(huán)境溫度下3個部位神經(jīng)元放電幅度的變化與放電頻率的變化相似，松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電幅度隨環(huán)境溫度的升高而增大，視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電幅度在環(huán)境溫度15 ℃時有所增大，此后則隨溫度的升高而降低，在30 ℃時降低顯著.

上標不同的平均值差異顯著, a>b>c (Tukey 檢驗,α=0.05)圖2 環(huán)境溫度對間腦神經(jīng)元放電頻率的影響Fig.2 Impacts of ambient temperatures on the firing frequencies of diencephalon neurons

上標不同的平均值差異顯著, a>b>c (Tukey 檢驗,α=0.05) 圖3 環(huán)境溫度對間腦神經(jīng)元放電幅度的影響Fig.3 Impacts of ambient temperatures on the firing amplitudes of diencephalon neurons

2.3 環(huán)境溫度與間腦神經(jīng)元電活動的相關性分析

3個部位神經(jīng)元的電活動與環(huán)境溫度都具有相關性，且相關顯著(P<0.05).放電頻率與環(huán)境溫度的相關性見圖4.松果體神經(jīng)元的放電頻率與環(huán)境溫度呈直線相關，相關方程y=2.615x-4.105 6，相關系數(shù)r=0.96；視前區(qū)前部和視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率與環(huán)境溫度均呈冪相關，相關方程和相關系數(shù)分別是y=0.589 2x1.658 7，r=0.99；y=568.2x-1.608，r=0.99；放電幅度與環(huán)境溫度的相關性見圖5.松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電幅度與環(huán)境溫度均呈線性相關，相關方程和相關系數(shù)分別為y=12.544x+34.413，r=0.97；y=7.724 6x+113.79，r=0.95；視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電幅度與環(huán)境溫度呈多項式相關，相關方程y=-0.865 6x2+18.623x+349.46，相關系數(shù)r=0.92.

圖4 放電頻率與環(huán)境溫度的相關性 Fig.4 The correlation between firing frequencies and ambient temperatures

圖5 放電幅度與環(huán)境溫度的相關性 Fig.5 The correlation between firing amplitudes and ambient temperatures

3 討論

在哺乳動物中，下丘腦被認為是體溫調節(jié)的高級中樞，其中下丘腦視前區(qū)前部對機體的體溫起著主導作用[22].下丘腦同樣是低等脊椎動物的體溫調節(jié)中樞，對維持動物體溫的相對穩(wěn)定起到了一定的作用[7,23].筆者在對中華蟾蜍下丘腦視前區(qū)前部及松果體神經(jīng)元電生理學特性的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，這兩個部位神經(jīng)元的放電頻率、放電幅度均逐漸升高，但松果體的放電幅度明顯低于視前區(qū)前部.推測下丘腦視前區(qū)前部及松果體的神經(jīng)元主要對高溫環(huán)境較敏感，參與了降溫過程中的體溫調節(jié).下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元的電生理特性正好與視前區(qū)前部相反，其放電幅度、放電頻率均隨溫度的升高而降低，推測視前區(qū)后部對低溫環(huán)境較為敏感，主要參與了升溫過程的體溫調節(jié).這與變溫動物的體溫在環(huán)境溫度較低時體溫略高于環(huán)境溫度，環(huán)境溫度較高時體溫又略低于環(huán)境溫度相一致[6-8].且環(huán)境溫度的變化與中華蟾蜍下丘腦視前區(qū)神經(jīng)元的電活動相關顯著，與尹書明和劉重斌的研究荒漠沙蜥的下丘腦視前區(qū)參與了荒漠沙蜥對體溫的調節(jié)整合過程相一致[5,19]，進一步說明變溫動物一定的生理性體溫調節(jié)和哺乳動物一樣來自下丘腦[5,16].此外，中華蟾蜍松果體神經(jīng)元的電活動與環(huán)境溫度也呈顯著相關，與王喆等人在荒漠沙蜥松果復合體的研究結果相似[20]，表明松果體也參與了變溫動物的體溫調節(jié).

此外，下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元可以合成、分泌和釋放多種促激素、神經(jīng)膚和神經(jīng)遞質，同時與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的其他部位有廣泛的纖維聯(lián)系[28]，接受多種來自其他部位的信息分子，參與哺乳動物的體溫調節(jié)[24-27].下一步工作將研究這些激素等物質是否參與了變溫動物的體溫調節(jié).

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(編輯 WJ)

Impact of Ambient Temperature on Electrical Activities ofBufoGargarizansDiencephalon Neurons

DENGXin-yanga,CHAOHea,WANGYongb,WANGLi-wena,LIANGChuan-chenga*
(a.College of Life Science, b.Experiment Center, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The objective of this study is to probe the impact of ambient temperature on physiological thermaregulation inBufogargarizans. The microelectrode technique was employed to record extracellularly spontaneous electrical activities of neurons in diencephalon ofBufogargarizansat different ambient temperatures. Our results show that, as ambient temperature increases, the firing frequency, amplitude of neurons of anterior hypothalamus and pineal gland were also found increased. Significant correlations among them were observed, indicating that neurons in anterior hypothalamus and pineal gland are sensitive to the high temperature environment, and they are all involved in body temperature adjustment. We also found that changes in the anterior hypothalamus were more pronounced than those in pineal gland. The firing frequency and amplitude of neurons in posterior preoptic areas were seen decreased as the ambient temperature increased, suggesting that there was an inhibition process going on in posterior preoptic areas. This mechanism indicates that neurons in the posterior preoptic area are more sensitive to low temperatures and they play important roles in the process of fervescence.

ambient temperature;Bufogargarizans; diencephalon; electrical activities; thermoregulation

2016-11-09

遼寧省教育廳高等學?？茖W研究資助項目(2011196)

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.03.005

Q42

A

1000-2537(2017)03-0027-05

*通訊作者,E-mail：cwjm2002@163.com