持續(xù)性內(nèi)向電流對(duì)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展與展望

王星宇

1 PIC的簡(jiǎn)介及其功能

1.1 PIC的研究歷史

大量研究表明持續(xù)性內(nèi)向電流（Persistent Inward Current，PIC）作為調(diào)控神經(jīng)元持續(xù)、重復(fù)的興奮的主要來(lái)源，廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中［1-6］。Schwindt和Crill于1977年首次描述了在哺乳動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元上描述了PIC［7］，緊接著于1980年兩位科學(xué)家推斷PIC的主要成分為Ca電流［8］。而之后一篇關(guān)于PIC可以調(diào)節(jié)中腦區(qū)神經(jīng)元釋放與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的五羥色胺和去甲腎上腺素神經(jīng)遞質(zhì)讓人們把視角聚焦于PIC對(duì)運(yùn)動(dòng)的調(diào)控研究上［9］，隨后的30多年中大量研究，有關(guān)PIC調(diào)控運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的輸入輸出已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，包括單獨(dú)對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的非線性調(diào)節(jié)以及從中樞神經(jīng)系統(tǒng)到肌肉之間的修飾作用。本文將目前對(duì)PIC調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究做一個(gè)總結(jié)，并提出目前尚未解決的一些問(wèn)題，供后續(xù)研究參考。

1.2 PIC的功能

目前的研究中發(fā)現(xiàn)PIC主要有四種類型，包括對(duì)二氫吡啶敏感的Ca電流（包括Cav1.2和Cav1.3兩種亞型）、對(duì)河豚毒敏感的Na電流［10］、對(duì)以上兩種阻斷劑均不敏感的TDRPIC［11］以及由N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）介導(dǎo)的突觸電流［12］。其中Ca電流（Ca-PIC）和Na電流（Na-PIC）是PIC最主要的組成成分。不同的PIC對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的調(diào)節(jié)作用并不相同，PIC的功能可以總結(jié)為放大突觸信號(hào)［13，14］、使輸入達(dá)到飽和［15，16］、產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象［17，18］、易化作用［20，21］以及直接參與調(diào)控運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和節(jié)律的控制［12，22］等。本節(jié)結(jié)合最新的文章［23］將以上功能總結(jié)為表1的形式。

表1 PIC對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的調(diào)節(jié)功能總結(jié)表

2 PIC對(duì)人類運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元輸出調(diào)控

對(duì)于PIC調(diào)控人的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)輸出可以從一些人的運(yùn)動(dòng)單元呈現(xiàn)的放電模式與PIC的功能相似的實(shí)驗(yàn)中推知［24，25］，如前文對(duì)PIC功能的描述，PIC主要具備放大、飽和以及磁滯現(xiàn)象，而以上對(duì)于在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在了人類的運(yùn)動(dòng)單元響應(yīng)中，首先PIC的激活會(huì)使運(yùn)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)力顯著增大，并導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電頻率快速增加。其次磁滯的現(xiàn)象可能反映著Ca-PIC通道開(kāi)放所需的時(shí)間，一旦Ca-PIC完全激活，PIC對(duì)輸入的敏感性將逐漸降低，從而達(dá)到類似動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的飽和或平穩(wěn)狀態(tài)，這種狀態(tài)具備隨著Ca離子濃度增加而持續(xù)維持，這使得運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元具備抗失活能力。同樣運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電速率曲線也顯示除了顯著的磁滯現(xiàn)象，這種磁滯使得運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的募集水平遠(yuǎn)高于去募集水平，PIC的促進(jìn)和延遲也表現(xiàn)在短暫的興奮性輸入后的持續(xù)放電。

以上描述的PIC對(duì)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)（包括放大、飽和、磁滯）都在被證實(shí)存在于人體的運(yùn)動(dòng)單元中，除此之外，研究還表明短暫的興奮輸入導(dǎo)致神經(jīng)元持續(xù)激發(fā)的現(xiàn)象也存在于受試者的運(yùn)動(dòng)單元上［26-28］。并且除以上與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象外，最新研究證實(shí)了人類運(yùn)動(dòng)單元的放電速率突增是由于PIC的快速激活引起的，并且證實(shí)了激活速率飽和是由于神經(jīng)元樹(shù)突上的PIC去極化導(dǎo)致的［29］。與貓的實(shí)驗(yàn)相同的是，人的運(yùn)動(dòng)單元在達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)也對(duì)外部輸入變得不敏感［30］，以上均在不同角度說(shuō)明人的運(yùn)動(dòng)單元與PIC的調(diào)控有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

在2015年的一篇研究中提出了一種新的方法用于估計(jì)人類被試的PIC大小［31］，該方法主要使用了觀測(cè)人類運(yùn)動(dòng)單元輸出的募集和去募集差值，該差值體現(xiàn)了PIC磁滯現(xiàn)象導(dǎo)致的頻率之差，因此被稱為ΔF技術(shù)，該方法現(xiàn)以被用作估計(jì)腦干單胺能的輸入強(qiáng)度。

從人類日常的運(yùn)動(dòng)角度來(lái)看，PIC對(duì)控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)的放大和保持持續(xù)是最重要的方面。從貓的實(shí)驗(yàn)中我們可以推知自持續(xù)放電對(duì)于控制姿勢(shì)的維持尤為重要。于此同時(shí)PIC對(duì)突觸輸入的放大作用也是調(diào)控軀體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)輸入輸出增益的手段，PIC提供了一種低輸入高增益的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制。對(duì)于產(chǎn)生短時(shí)間產(chǎn)生較強(qiáng)力量的運(yùn)動(dòng)，PIC可能在其中扮演著極為重要的角色，目前人類被試的實(shí)驗(yàn)也為這一假說(shuō)提供了一致的證據(jù)［32］。

根據(jù)以上大量的研究數(shù)據(jù)為線索，可以推測(cè)通過(guò)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的興奮和抑制可以靈活地控制PIC，從而進(jìn)一步使運(yùn)動(dòng)單元產(chǎn)生多種響應(yīng)。通過(guò)人與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)如此多的共同點(diǎn)，可以猜想神經(jīng)元興奮性與廣泛的運(yùn)動(dòng)模式存在一定的統(tǒng)一性，即興奮性與運(yùn)動(dòng)輸出是相匹配的。

3 研究展望

截至目前，PIC已經(jīng)被研究了40余年，其在運(yùn)動(dòng)控制的作用一直是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于從機(jī)制的角度了解運(yùn)動(dòng)本身來(lái)講，由于PIC對(duì)運(yùn)動(dòng)調(diào)控具有直接且重要的調(diào)節(jié)作用，因此了解并研究PIC是非常重要的研究。但目前對(duì)于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的興奮變化與PIC的功能的精確匹配仍沒(méi)有找到明確的方法，所以在未來(lái)的研究中，無(wú)論是從模擬還是生理實(shí)驗(yàn)的角度都需要做更為復(fù)雜和精準(zhǔn)的研究。其實(shí)，ΔF技術(shù)現(xiàn)雖然已被廣泛的使用，但實(shí)驗(yàn)表明不同肌肉的ΔF差異非常大［33］，但目前仍不清楚該差異在運(yùn)動(dòng)控制中有著怎樣的意義，在未來(lái)的研究中可能需要大量的關(guān)于人體各個(gè)肌肉的ΔF的統(tǒng)計(jì)，才能更充分地了解這種差異背后的功能。最后對(duì)于PIC而言，TDRPIC作為一種特殊的PIC在運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中有著怎樣的作用也是目前研究尚待解決的問(wèn)題。