力竭運(yùn)動(dòng)過程中大鼠皮層–基底神經(jīng)節(jié)通路α/β同步振蕩的起源和傳遞路徑

黃浩潔

1，2 侯莉娟1 劉曉莉1 喬德才1

1 北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院（北京100875）2 廈門大學(xué)體育教學(xué)部（廈門361005）

基底神經(jīng)節(jié)(basal ganglia，BG)是大腦皮層下幾個(gè)相互聯(lián)系的神經(jīng)核團(tuán)的總稱，包括紋狀體(striatum，Str)、蒼白球外側(cè)部(external globuspallidus，GPe)、黑質(zhì)致密部(substantia nigraparscompacta，SNc)、丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)、蒼白球內(nèi)側(cè)部/黑質(zhì)網(wǎng)狀部復(fù)合體(internal globuspallidus /substantia nigra reticular part，GPi/SNr)等[1，2]，通過“平行模塊結(jié)構(gòu)”方式對運(yùn)動(dòng)皮層傳入的信息進(jìn)一步整合加工后傳至丘腦，再由丘腦傳回運(yùn)動(dòng)皮層，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確調(diào)控[3，4]。振蕩電活動(dòng)是大腦編碼信息的基礎(chǔ)，無論是在單個(gè)神經(jīng)元的放電還是顱外磁場，每個(gè)層面都可觀察到神經(jīng)元振蕩電活動(dòng)現(xiàn)象[5]。這種振蕩電活動(dòng)可反映記錄電極附近一定空間范圍數(shù)以萬計(jì)的神經(jīng)元興奮性突觸后電位(excitatory postsynaptic potentials，EPSPs)與抑制性突觸后電位(inhibitory postsynaptic potentials，IPSPs)總和的大小，亦稱之為局部場電位(local field potentials，LFPs)。根據(jù)LFPs 電生理特征可分為delta(δ，1～3 Hz)，theta(θ，3～8 Hz)，alpha(α，8～12 Hz)，beta

(β，12～30 Hz)和gamma(γ，30～100 Hz)5 種頻段振蕩電活動(dòng)[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同頻段的振蕩電活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)功能狀態(tài)密切相關(guān)，如基底神經(jīng)節(jié)的β頻段振蕩電活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行有關(guān)[6]，γ頻段振蕩電活動(dòng)與警醒密切關(guān)聯(lián)[7]。近些年來，我們采用微電極技術(shù)研究了運(yùn)動(dòng)性疲勞大鼠皮層和基底神經(jīng)節(jié)的電生理特征[8-10]，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)部位存在不同程度的同步振蕩電活動(dòng)。Str作為基底神經(jīng)節(jié)的主要輸入核團(tuán)，約95%由γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能中等多棘神經(jīng)元組成，其球形的樹突狀和非層狀的細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織[11]，使突觸活性易產(chǎn)生對LFPs 凈貢獻(xiàn)較小的封閉電場[12]。由于Str 缺乏反復(fù)的興奮輸入和局部抑制[5]，因此，Str被認(rèn)為不具備自發(fā)產(chǎn)生同步振蕩的基礎(chǔ)[13]，這提示Str 存在的同步振蕩可能是由其他核團(tuán)傳入。鑒于此，本研究采用多核團(tuán)同步記錄的電生理學(xué)技術(shù)，實(shí)時(shí)同步記錄整個(gè)力竭運(yùn)動(dòng)過程中大鼠皮層和基底神經(jīng)節(jié)振蕩電活動(dòng)，通過格蘭杰因果分析(Granger causality，GC)方法探究異常同步振蕩電活動(dòng)起源和傳遞路徑，旨在探尋運(yùn)動(dòng)疲勞振蕩電活動(dòng)的中樞調(diào)控機(jī)制，為運(yùn)動(dòng)疲勞恢復(fù)的中樞靶點(diǎn)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)選用健康4周齡雄性Wistar 大鼠(260～340g，北京市維通利華公司，SCXK 京2012-0001)，飼養(yǎng)在溫度和濕度相對適宜、自然節(jié)律光/暗循環(huán)的環(huán)境下，大鼠可自由獲取食物和水。正式實(shí)驗(yàn)開始前大鼠先在跑步機(jī)(中國杭州段式制作，DSPT-216)上進(jìn)行3天跑臺適應(yīng)性訓(xùn)練，篩選出能夠以20 m/min的速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)30 min以上的大鼠實(shí)施電極埋藏手術(shù)[14]，共計(jì)20只。

1.2 梯度電極制作和手術(shù)植入

梯度電極制作：適當(dāng)截取5根直徑120 μm優(yōu)質(zhì)碳鋼合金絲(A-M Systems，美國)，一端去絕緣層，分別焊接在16 通道電極母座中的5 個(gè)通道電極金屬接頭上(M1，C05；Str，C08；GPe，C09；STN，C12；SNr，C13)，另外兩根銅線則焊接到GND和REF通道的金屬接頭上，分別作為地線和參考線；然后對應(yīng)穿過根據(jù)各核團(tuán)坐標(biāo)位置制作的電極固定板小孔，將電極母座和電極固定板用牙科水泥包被，以增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。在顯微鏡下將電極絲拉垂直，以黑質(zhì)致密部通道電極絲為參考，5根電極梯度按核團(tuán)相對長度相應(yīng)地裁剪，制作成梯度陣列電極(圖1A 和B)，并用nanoZTMImpedance Tester系統(tǒng)(Blackrock，美國)檢測每根連通性和阻抗，確保電極制作成功。

圖1 皮層-基底神經(jīng)節(jié)梯度電極制作示意圖

手術(shù)植入：將篩選出的大鼠用10%水合氯醛溶液腹腔注射麻醉，固定于腦立體定位儀上，剃毛并剪除顱頂皮膚充分顯露前后囟，使前后囟處于同一水平面。根據(jù)George Paxinos 大鼠腦立體定位圖譜分別標(biāo)記右側(cè)腦區(qū)M1(AP：+2.0 mm，R：3.0 mm，DV：1.8～2.0 mm)、Str(AP：+0.25 mm，R：3.65 mm，DV：4.6～5.0 mm)、GPe(AP：- 1.25 mm，R：2.975 mm，DV：6.4～6.8 mm)、STN(AP：- 3.5 mm，R：2.3～2.5 mm，DV：7.55～7.65 mm)和SNr(AP：- 5.125 mm，R：2.5 mm，DV：7.85～8.0 mm)，如圖2A所示。在顯微鏡下，使用高速渦輪牙鉆在各標(biāo)記點(diǎn)上鉆孔至硬腦膜，清潔顱骨表面，然后將梯度電極緩慢下降進(jìn)入腦組織內(nèi)至目標(biāo)位置，再在小腦上方植入兩個(gè)微型螺釘作為地線和參考線(圖2B)，最后用牙托水泥固定電極絲及覆蓋全部顱骨表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后灌流大鼠、斷頭、取腦、切片和尼氏染色(圖2C)，參照大鼠腦立體定向圖譜在顯微鏡下鑒定確定M1、Str、GPe、SNr和STN的位置。5根電極末端在相應(yīng)核團(tuán)所取數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，有8 只大鼠因電極位置插入不準(zhǔn)確所取數(shù)據(jù)沒有納入統(tǒng)計(jì)范疇，最終獲取12只大鼠有效數(shù)據(jù)。

圖2 各核團(tuán)電極植入位置和深度以及位置確定

1.3 一次性力竭運(yùn)動(dòng)方案和LFPs信號采集

大鼠手術(shù)埋置電極恢復(fù)7 天后，開始進(jìn)行一次性力竭運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。力竭運(yùn)動(dòng)方案采用改良的Bedford 遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)方案[14]，負(fù)荷分為3 級：Ⅰ級負(fù)荷：8.2 m/min，15 min；Ⅱ級負(fù)荷：15 m/min，15 min；Ⅲ級負(fù)荷：20 m/min(圖3A)。力竭判斷標(biāo)準(zhǔn)[14]：大鼠跑姿由蹬地式變?yōu)榉厥?，滯留在跑道?/3處，且用聲、光和電刺激均不能使其繼續(xù)維持原有速度運(yùn)動(dòng)。LFPs信號采集使用Cerebus-128多通道(Blackrock，美國)信號采集系統(tǒng)，記錄一次性力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層(M1)和基底神經(jīng)節(jié)(Str、GPe、SNr 和STN)LFPs 電信號(采樣頻率：30 kHz/s；記錄抗干擾濾波：低通濾波250 Hz，帶通濾波250 Hz～500 kHz)，并采用NeuroMotive 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像，記錄大鼠跑臺運(yùn)動(dòng)全過程行為活動(dòng)，以備后續(xù)信號分析時(shí)使用。

1.4 LFPs信號分析

功率譜密度分析：將原始LFPs 信號通過NeuroExplorer 分析軟件包加入陷波濾波器去除電噪聲干擾(50 Hz的整數(shù)倍)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理，不同階段分析截取30s連續(xù)時(shí)間無噪音干擾的LFPs信號X(t)求平均振幅值，然后進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換[15]：

式子(1)中的w為角頻率，再通過公式(2)計(jì)算一次力竭運(yùn)動(dòng)過程中各核團(tuán)的功率譜密度(power spectral density，PSD)：

Granger因果分析：Granger因果分析作為一種可以衡量兩個(gè)時(shí)間序列之間相互影響關(guān)系的方法，可反映一個(gè)時(shí)間序列X(t)對另一個(gè)時(shí)間序列Y(t)的統(tǒng)計(jì)可預(yù)測程度[16]。本研究中記錄到的LFPs信號為穩(wěn)定的時(shí)間序列信號，可用該方法來研究核團(tuán)之間LFPs信號的傳遞路徑和起源[17]。進(jìn)行Granger 因果分析時(shí)，兩個(gè)核團(tuán)的LFPs時(shí)間序列X(t)和Y(t)可通過雙變量p階自回歸模型(autoregressive model)分別擬合：

式(3)和(4)中，w表示殘差項(xiàng)，假定為不相關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)基于該原理使用自定義Matlab程序(RRID:SCR_001622)結(jié)合Chronux 工具箱，采用多變量自回歸模型的方法來計(jì)算頻域上的偏相關(guān)Granger因果系數(shù)，用于分析皮層和基底神經(jīng)節(jié)各核團(tuán)LFPs 信號兩兩之間雙向的因果聯(lián)系。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用GraphPad Prism 8 軟件作圖。結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。一次力竭運(yùn)動(dòng)過程不同時(shí)期之間的LFPs 平均振幅值差異采用配對樣本t檢驗(yàn)，采用單側(cè)配對Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)來評估大鼠不同頻段Granger因果參數(shù)之間是否有顯著差異，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 大鼠行為學(xué)觀察及力竭運(yùn)動(dòng)過程不同階段劃分

行為學(xué)觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)：大鼠從運(yùn)動(dòng)開始，在跑臺遞增負(fù)荷下可自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，持續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后運(yùn)動(dòng)能力開始下降，此時(shí)如給予一定的外部刺激，仍可維持原有強(qiáng)度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直至力竭。由于每只大鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)間存在顯著差異(126.0 ± 8.2 min)，為便于比較大鼠不同運(yùn)動(dòng)階段LFPs的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合大鼠運(yùn)動(dòng)行為特征，可將整個(gè)力竭運(yùn)動(dòng)過程劃分為安靜期、自主運(yùn)動(dòng)期、運(yùn)動(dòng)疲勞初期、力竭期(運(yùn)動(dòng)疲勞后期)和恢復(fù)初期5 個(gè)階段[18]。開始運(yùn)動(dòng)前，將大鼠置于跑道上，此時(shí)為安靜期(30 min)；開始運(yùn)動(dòng)后大鼠可在自我驅(qū)動(dòng)下維持Ⅲ級負(fù)荷強(qiáng)度跑動(dòng)，此時(shí)為自主運(yùn)動(dòng)期(62.2 ± 7.4 min)；隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長，大鼠運(yùn)動(dòng)能力逐漸下降，無法自主繼續(xù)向跑臺前端運(yùn)動(dòng)，需要采用聲、光或電刺激才能繼續(xù)維持預(yù)定強(qiáng)度跑動(dòng)，此時(shí)為運(yùn)動(dòng)疲勞初期(30.3 ± 5.9 min)；當(dāng)大鼠長時(shí)間滯留在跑道末端的擋板上，且聲、光和電共同刺激均不能使其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表明進(jìn)入力竭期(3.5 ± 1.2 min)；停止運(yùn)動(dòng)后，繼續(xù)記錄30 min，此時(shí)為恢復(fù)初期，如圖3所示。

圖3 大鼠一次性力竭運(yùn)動(dòng)方案、各階段劃分和大鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)間

2.2 一次力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層和基底神經(jīng)節(jié)功率譜分析

LFPs振幅值可間接反映神經(jīng)元群振蕩電活動(dòng)同步化程度，本研究結(jié)果顯示，大鼠在安靜期各核團(tuán)LFPs振幅值都比較低；進(jìn)入自主運(yùn)動(dòng)期時(shí)皮層和基底神經(jīng)節(jié)LFPs振幅值開始加大(P＜0.05)；隨著運(yùn)動(dòng)持續(xù)，當(dāng)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)疲勞初期和力竭期，LFPs平均振幅值進(jìn)一步增大(P＜0.01)；進(jìn)入恢復(fù)期LFPs平均振幅值又顯著降低，恢復(fù)到接近安靜期水平，各期變化值如圖4A和4B所示。

圖4 一次力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層和基底神經(jīng)節(jié)LFPs變化特征

PSD分析可以將LFPs信號分解為不同頻率的正弦波信號，通過一次性力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層和基底神經(jīng)節(jié)各核團(tuán)的頻譜圖可進(jìn)一步揭示各階段各頻段PSD出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征，如圖4C 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與安靜期相比，自主運(yùn)動(dòng)期各核團(tuán)主要在低頻段δ/θ的PSD 顯著升高(P＜0.05)；隨著運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)疲勞初期各核團(tuán)僅在中頻段α和高頻段β的PSD 顯著升高(P＜0.05)；進(jìn)入力竭期各核團(tuán)只在高頻段β的PSD 顯著升高(P＜0.05)；恢復(fù)初期時(shí)，各核團(tuán)僅在中頻段α的PSD顯著升高(P＜0.05)。此外，每個(gè)階段各自升高的幅度和頻段范圍也并不完全一致，如圖5所示。這說明皮層–基底神經(jīng)節(jié)廣泛存在的低頻段δ/θ同步振蕩電活動(dòng)增強(qiáng)可促進(jìn)自主運(yùn)動(dòng)，而中高頻α/β同步振蕩電活動(dòng)增強(qiáng)則抑制運(yùn)動(dòng)，推測廣泛存在的增強(qiáng)的同步振蕩電活動(dòng)可能是源于皮層–基底神經(jīng)節(jié)某個(gè)核團(tuán)，然后向其他核團(tuán)擴(kuò)散。

圖5 各核團(tuán)不同階段不同頻段PSD值比較

2.3 力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層和基底神經(jīng)節(jié)兩兩核團(tuán)之間Granger因果分析

為了進(jìn)一步探究自主運(yùn)動(dòng)期、運(yùn)動(dòng)疲勞初期和力竭期出現(xiàn)增強(qiáng)同步振蕩電活動(dòng)的起源和傳遞路徑，本研究采用有向連通Granger 因果關(guān)系分析方法對皮層和基底神經(jīng)節(jié)兩兩核團(tuán)進(jìn)行雙向(X→Y 和Y→X)的Granger 系數(shù)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：大鼠穩(wěn)定以20 m/min 進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)時(shí)，與安靜期相比，兩個(gè)核團(tuán)之間以M1(M1→Str、M1→STN 和M1→SNr)、Str(Str→GPe、Str→STN 和Str→SNr)、STN(STN→SNr 和STN→GPe)、GPe(GPe→STN)和SNr(SNr→M1)為起始傳遞方向上，主要是δ和θ頻段的Granger 因果系數(shù)顯著升高(P＜0.05)，但各自升高的頻段范圍不完全一致，其他頻段和方向無顯著變化(P＞0.05)，如圖6所示。

圖6 安靜期與自主運(yùn)動(dòng)期兩兩核團(tuán)之間雙向Granger因果關(guān)系比較

當(dāng)大鼠進(jìn)入運(yùn)動(dòng)疲勞初期時(shí)，兩兩核團(tuán)在以STN(STN→M1、STN→ Str、STN→ GPe 和STN→ SNr)、GPe(GPe→Str、GPe→STN 和GPe→SNr)和SNr(SNr→M1)為起始傳遞方向上，主要是α和β頻段的Granger因果系數(shù)顯著升高(P＜0.05)，但各自升高的頻段范圍也不完全一致，如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)疲勞初期和自主運(yùn)動(dòng)期兩兩核團(tuán)之間雙向Granger因果關(guān)系比較

當(dāng)大鼠進(jìn)入力竭期時(shí)，運(yùn)動(dòng)疲勞初期情況類似，也是在以STN、GPe和SNr為起始傳遞方向上，主要是α/β頻段(β為主)的Granger 因果系數(shù)顯著升高(P＜0.05)，各自升高的頻段范圍也不完全一致，如圖8所示，其他頻段和方向均無顯著變化(P＞0.05)。

圖8 力竭期和自主運(yùn)動(dòng)期兩兩核團(tuán)之間雙向Granger因果關(guān)系比較

3 討論

LFPs 與傳統(tǒng)微電極記錄的單個(gè)神經(jīng)元放電相比，可以提供更多的有效信息，而與腦電圖(EEG)相比，具有更高的時(shí)間與空間分辨率信息[19]。LFPs振幅強(qiáng)度主要由神經(jīng)元群的放電頻率以及特定頻率下參與放電的神經(jīng)元數(shù)量來決定。當(dāng)神經(jīng)元處于異步振蕩時(shí)，放電無規(guī)律性，各個(gè)頻段的LFPs 幅度都比較低；當(dāng)神經(jīng)元出現(xiàn)同步振蕩時(shí)可觀察到某一特定頻段下的LFPs 幅度加大，并且隨著同步化程度的增強(qiáng)，LFPs 的幅度和PSD 值也進(jìn)一步增加[5]。LFPs 信號的同步被認(rèn)為是大腦區(qū)域信息傳遞的重要方式之一[20]。同步的作用是把不同頻段振蕩的神經(jīng)元所編碼的局部信息通過相位同步“捆綁”起來，實(shí)現(xiàn)不同腦區(qū)的協(xié)同工作，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用就是在同步和非同步的狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)腦區(qū)間的功能聯(lián)系和信息傳遞。

3.1 自主運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)皮層-基底神經(jīng)節(jié)通路分別呈現(xiàn)δ/θ振蕩和α/β振蕩同步化增強(qiáng)

本研究利用多導(dǎo)梯度電極實(shí)現(xiàn)了在大鼠一次性力竭運(yùn)動(dòng)過程中皮層和基底神經(jīng)節(jié)多核團(tuán)振蕩電活動(dòng)的同步記錄，并結(jié)合大鼠運(yùn)動(dòng)行為分析運(yùn)動(dòng)不同階段LFPs 的PSD，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)大鼠在自主運(yùn)動(dòng)期間，皮層–基底神經(jīng)節(jié)通路各核團(tuán)原始LFPs 平均振幅值均顯著升高，說明神經(jīng)元振蕩同步化增強(qiáng)；經(jīng)進(jìn)一步分析各頻段PSD 值發(fā)現(xiàn)主要是低頻的δ(1～3 Hz)和θ(3～8 Hz)振蕩同步化增強(qiáng)，提示皮層和基底神經(jīng)節(jié)低頻δ/θ振蕩電活動(dòng)增強(qiáng)參與調(diào)控促進(jìn)運(yùn)動(dòng)信息傳遞。Berke[6]和Daniel 等[21]也發(fā)現(xiàn)，嚙齒動(dòng)物在自主運(yùn)動(dòng)階段，基底神經(jīng)節(jié)中δ/θ振蕩電活動(dòng)同步化增強(qiáng)具有促運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(pro-kinetic effects)，這可能是運(yùn)動(dòng)和空間導(dǎo)航相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)級計(jì)算的潛在神經(jīng)基礎(chǔ)[22-24]；2)大鼠在運(yùn)動(dòng)疲勞初期，皮層和基底神經(jīng)節(jié)的LFPs 平均振幅值進(jìn)一步升高，主要表現(xiàn)為高頻α(8～12 Hz)和β(12～17 Hz)振蕩同步化增強(qiáng)。在進(jìn)入運(yùn)動(dòng)疲勞期后，給予各種外界刺激驅(qū)趕大鼠仍可進(jìn)行一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)直至力竭，此時(shí)大鼠極度疲勞，暫時(shí)失去應(yīng)激反應(yīng)(即失去對外界聲、光和電刺激的反應(yīng)能力)，在這種狀態(tài)下可能會(huì)超過機(jī)體的生理極限，然后經(jīng)歷一個(gè)“災(zāi)難性”的穩(wěn)態(tài)失衡，此時(shí)皮層–基底神經(jīng)節(jié)通路僅在高頻β振蕩同步化增強(qiáng)。也有研究發(fā)現(xiàn)，正常生理狀態(tài)下，人類[25]、靈長類[26]和嚙齒動(dòng)物[27，28]在執(zhí)行抑制性運(yùn)動(dòng)任務(wù)期間，皮層和基底神經(jīng)節(jié)也出現(xiàn)β同步振蕩增強(qiáng)現(xiàn)象。在病理狀態(tài)下，帕金森病(Parkinson’s disease，PD)表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)困難和運(yùn)動(dòng)遲緩也與皮層和基底神經(jīng)節(jié)廣泛存在β振蕩電活動(dòng)同步化增強(qiáng)有直接關(guān)系[29，30]，當(dāng)降低PD 患者基底神經(jīng)節(jié)β同步振蕩時(shí)運(yùn)動(dòng)遲緩癥狀得到顯著緩解[31]。因此，我們認(rèn)為，皮層–基底神經(jīng)節(jié)通路的β振蕩同步化增強(qiáng)具有抑制運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(anti-kinetic effects)，參與了編碼抑制運(yùn)動(dòng)信息，從而抑制了運(yùn)動(dòng)皮層興奮性，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力下降。這也可能是運(yùn)動(dòng)皮層不能被有效驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致大鼠運(yùn)動(dòng)能力下降的重要原因之一，是大腦皮層在運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生過程中出現(xiàn)的一種保護(hù)性抑制結(jié)果。

3.2 振蕩電活動(dòng)同步化增強(qiáng)的起源和傳遞路徑

本研究引入了在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的有效連接Granger因果分析方法，進(jìn)一步探究核團(tuán)之間不同頻段振蕩電活動(dòng)的起源和傳遞路徑，經(jīng)過比較皮層和基底神經(jīng)節(jié)兩兩核團(tuán)雙向的Granger系數(shù)發(fā)現(xiàn)：①自主運(yùn)動(dòng)期大鼠皮層和基底神經(jīng)節(jié)出現(xiàn)廣泛增強(qiáng)的δ/θ振蕩主要是以M1 和Str 核團(tuán)為起始向下游核團(tuán)傳遞，再通過SNr 傳回M1，如圖9A 所示。由于Str 不具備產(chǎn)生同步振蕩的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并且Str接受皮層廣泛的纖維投射同時(shí)向下游核團(tuán)GPe 和SNr 投射神經(jīng)纖維連接，因此，我們認(rèn)為大鼠在自主運(yùn)動(dòng)中皮層和基底神經(jīng)節(jié)廣泛存在增強(qiáng)的δ/θ同步振蕩起源和傳遞路徑，可能是以M1起始向基底神經(jīng)節(jié)各核團(tuán)傳遞，或M1 先傳遞給Str 然后再傳遞給基底神經(jīng)節(jié)其他核團(tuán)，最后再返到皮層；②無論是運(yùn)動(dòng)疲勞初期還是力竭期，振蕩的傳遞方向均是以STN 和GPe 核團(tuán)為起始，通過STN→M1、STN→GPe、STN→SNr、GPe→SNr、GPe→STN、GPe→Str 和SNr→M1 路徑向其他核團(tuán)傳遞，其中STN 和GPe 之間是相互傳遞，如圖9B 所示。分析其原因我們發(fā)現(xiàn)，STN-GPe 微環(huán)路可能是β同步振蕩的起源，而M1 可能是β振蕩的“最終接收者”，其傳遞路徑是：第一，從解剖上看，STN 接受大量來自皮層的神經(jīng)纖維投射，因此β振蕩電活動(dòng)可從STN沿神經(jīng)纖維逆向傳遞到M1，是神經(jīng)纖維逆向傳播的結(jié)果。該路徑屬于超直接通路，β同步振蕩增強(qiáng)可能激活了該通路，該通路激活會(huì)使M1興奮性輸出產(chǎn)生抑制作用[25，32]；第二，STN向GPe投射Glu神經(jīng)纖維，而GPe 的神經(jīng)元又向上游Str 投射神經(jīng)連接，β振蕩還可通過STN→GPe→Str路徑向上傳遞給Str[33]；第三，由于SNr和丘腦以及丘腦和M1之間也存在許多相互的神經(jīng)纖維投射[34]，β振蕩還可通過STN→SNr→Tha→M1 路徑向下游SNr 核團(tuán)傳遞，再向上間接傳到M1。M1增強(qiáng)的α/β同步振蕩電活動(dòng)不能有效驅(qū)動(dòng)外周運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元募集更多肌纖維，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)疲勞的產(chǎn)生。有研究也發(fā)現(xiàn)，使用β頻段電刺激運(yùn)動(dòng)皮層會(huì)降低運(yùn)動(dòng)輸出[33]，為此可以認(rèn)為β振蕩同步化增強(qiáng)可以“抑制”回路，使運(yùn)動(dòng)編碼不能在更精細(xì)的空間分辨率上進(jìn)行[34，35]，從而抑制了脊髓運(yùn)動(dòng)信息的輸出[36]。

圖9 皮層-基底神經(jīng)節(jié)同步振蕩的傳遞路徑

3.3 STN-GPe環(huán)路可能是α/β振蕩同步化起源的分析

STN 和GPe 之間存在大量互惠的神經(jīng)纖維投射，形成局部微環(huán)路。STN向整個(gè)基底神經(jīng)節(jié)提供快速的興奮性Glu能輸入[37]，而GPe為整個(gè)基底神經(jīng)節(jié)提供廣泛的抑制性GABA 能輸入[38]。當(dāng)STN 的興奮性神經(jīng)元持續(xù)受到刺激產(chǎn)生興奮性突觸后電位(EPSPs)傳遞到GPe時(shí)，可使其產(chǎn)生抑制性突觸后電位(IPSPs)，然后又回傳給STN興奮性神經(jīng)元，使得興奮性停止響應(yīng)，直到抑制性動(dòng)作電位的發(fā)放也結(jié)束，開始另一個(gè)周期。這種連接方式就如電路的振蕩器一般，只要有刺激不斷地輸入到這個(gè)微環(huán)路，它就會(huì)以某種頻率產(chǎn)生振蕩。此外，STN還受來自大腦皮層的興奮性Glu能投射的影響，研究表明，來自皮層的興奮性輸入對GPe-STN微環(huán)路振蕩電活動(dòng)的影響可能與它們之間的異突觸長時(shí)程增強(qiáng)(hLTP)有密切聯(lián)系[39]，過度激活的運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元纖維投射到STN可過度誘導(dǎo)GPe神經(jīng)元的hLTP，從而導(dǎo)致GPe 傳入STN 的抑制性輸入過分增強(qiáng)[40]。我們認(rèn)為正常狀態(tài)下大腦皮層的輸入對GPe-STN 突觸的hLTP 起到重要調(diào)節(jié)作用，隨著運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，運(yùn)動(dòng)皮層的過度激活使得GPe-STN突觸的hLTP達(dá)到較高水平，過度增強(qiáng)的hLTP 可能是運(yùn)動(dòng)疲勞狀態(tài)下機(jī)體誘導(dǎo)出的一種代償機(jī)制：大腦皮層釋放興奮性Glu 遞質(zhì)增加，加強(qiáng)了M1-STN的興奮性突觸功能連接，為了維持STN的功能穩(wěn)定，STN加強(qiáng)GPe-STN的突觸功能連接，抵消Glu 對STN 的興奮作用。但由于GPe-STN 之間存在一個(gè)作用相反的反饋微環(huán)路，加之STN 神經(jīng)元擁有特殊的膜電位特性，使其對GABA 的IPSPs 特別敏感，當(dāng)突觸后膜上超極化的程度足夠大時(shí)，反而使得STN 神經(jīng)元產(chǎn)生去極化電流[41，42]，加劇同步化振蕩的發(fā)生。此外，由于STN 和基底神經(jīng)節(jié)其他核團(tuán)均有廣泛纖維投射連接，使其具備向其他核團(tuán)傳遞同步振蕩的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。關(guān)于更深層的振蕩電活動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制，需在細(xì)胞層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多核團(tuán)單細(xì)胞放電記錄才能進(jìn)一步解釋。

4 結(jié)論

大鼠力竭運(yùn)動(dòng)發(fā)生過程中，皮層–基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路中出現(xiàn)廣泛增強(qiáng)的δ/θ同步振蕩電活動(dòng)呈現(xiàn)促運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，興奮運(yùn)動(dòng)皮層促進(jìn)自主運(yùn)動(dòng)，δ/θ振蕩的起源和傳遞路徑可能是以M1 為起始向基底神經(jīng)節(jié)各核團(tuán)傳遞或M1 先傳遞給紋狀體然后再傳遞給基底神經(jīng)節(jié)其他核團(tuán)。隨著運(yùn)動(dòng)疲勞的產(chǎn)生，皮層–基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路中出現(xiàn)廣泛增強(qiáng)的α/β同步振蕩則呈現(xiàn)抑制運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，抑制運(yùn)動(dòng)皮層興奮誘發(fā)運(yùn)動(dòng)疲勞，且GPe-STN微環(huán)路可能是這種振蕩電活動(dòng)產(chǎn)生的源頭，并通過STN→M1 和GPe→STN→SNr→M1 路徑參與對運(yùn)動(dòng)皮層興奮性的調(diào)控，這可能是運(yùn)動(dòng)疲勞出現(xiàn)時(shí)人體實(shí)現(xiàn)對皮層保護(hù)性抑制的重要途徑之一。