黑质致密部神经元对去甲肾上腺素的敏感性与其放电型式的关系 .doc

1、黑质致密部神经元对去甲肾上腺素的敏感性与其放电型式的关系 作者：刘国鹏 胡三觉 韩晟 王晓斌 杨红军 【关键词】 去甲肾上腺素 关键词: 黑质致密部;自发放电;去甲肾上腺素;敏感性;非稳定周期轨道 摘 要:目的 研究黑质致密部（ SNc）神经元的放电型式与其对去甲肾上腺素（NE）敏感性的关系，探讨“非周期敏感”现象的普遍性. 方法 在幼鼠的脑片胞外记录 SNc神经元的自发放电.比较周期与非周期放电神经元对 NE反应的敏感性，对非周期放电神经元的放电进行非线性动力学分析. 结果 NE对 18个周期及 12个非周期放电神经元呈现兴奋作用，对 16个周期及 12个非周期放电神经元呈现抑制作用.无论兴

2、奋或抑制作用，非周期放电神经元对不同浓度 NE的反应程度均比周期放电神经元大（P0.01）;NE 的兴奋及抑制作用可分别被酚妥拉明（20mol L-1 ）及舒必利（1mol L-1 ）阻断;在非周期放电神经元的放电序列中测出非稳定周期轨道. 结论 SNc的非周期放电神经元比周期放电神经元对 NE更敏感，这种敏感性可能与非周期放电的混沌特性有关. Keywords:substantia nigra compacta;spontaneous activity;norepinephrine;sensitivity;unstable period or-bits Abstract:AIM To stu

3、dy relationship between the firing pattern and sensitivity of substantia nigra compacta neurons to norepinephrine，to certify universality of“non-period sensitivity”in nervous system.METHODS Spontaneous ac-tivities of substantia nigra compacta neurons in brain slice of young rats were recorded extrac

4、ellularly，which were divided into periodic and non-periodic firing patterns.The sensitivity of two firing pattern to norepinephrine were compared.Fur-ther，we performed the non-linear dynamic analysis of time series of non-periodic firing.RESULTS Among neurons that responded to norepinephrine，18perio

5、dic firing and12non-periodic firing neurons showed excitation，16periodic firing and11non-periodic firing neurons displayed suppres-sion.No matter excitation and suppression，greater response of non-periodic firing to norepinephrine with different concen-tration was found than that of periodic firing

6、neurons（P0.01）.The excitatory effect and suppressive effect of nore-pinephrine was blocked byadrenoceptor antagonists regitine（20mol L-1 ）and D2receptor antagonists sulpiride（1mol L -1 ） respectively.Unstable period orbits were identified successfully in time series of non-periodic firing neurons.CO

7、NCLUSION The non-periodic firing neuons are more sensitive to norepinephrine than periodic firing neurons in SNc，this sensitivity may depend on chaotic characteristic of non-periodic firing. 0 引言 我们发现受损的背根节神经元对四乙基铵、钙离子、去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）和交感神经刺激反应的敏感性与其自发放电型式密切相关，非周期放电神经元的反应比周期放电神经元更为敏感，并推测这种“

8、非周期敏感”现象可能是可兴奋细胞的一种普遍反应特性1，2 .为了论证这种“非周期敏感”现象在神经系统的普遍性，探讨中枢神经元反应特性与放电型式的关系.我们在幼鼠脑薄片记录黑质致密部（substantia nigra compacta，SNc）神经元的自发放电，观察神经元对 NE的敏感性与其放电型式之间的关系，并检测非周期放电时间序列的混沌特性. 1 材料和方法 1.1 材料 出生 10d的 SD幼鼠，由第四军医大学实验动物中心提供.蔗糖 ACSF的成分为（mmol L-1 ）:蔗糖 250，KCl2.5，CaCl2 2，MgSO4 2，NaH2 PO4 1.25，NaHCO2 25.ACSF的

9、成分为（mmol L-1 ）:NaCl125，KCl3，CaCl2 2，MgSO4 2，NaH2 PO4 1.25，NaHCO2 25，葡萄糖 10. 1.2 方法 幼鼠断头并迅速取脑，快速置于冰冷的 04经 950mL L-1 O2 和 50mL L-1 CO2 饱和的蔗糖人工脑脊液中（artificial cerebrospinal fluid，ACSF）.待脑完全冷却后，对所在脑区进行修块，然后用震动切片机（美国 Campden公司）制备厚度为 300m 的含 SNc的水平中脑脑片，并置于 26的充以 950mL L-1 O2 和 50mL L-1 CO2 的ACSF中孵育.脑片孵育 2

10、h后，移至记录槽，用尼龙网及 U形铂丝框加以固定，并以 12mL min -1 的速度灌流 33的充以 950mL L-1 O2 和 50mL L-1 CO2 的 AS-CF.根据大鼠脑图谱在解剖镜下分辨 SNc4 ，对 SNc神经元进行胞外记录.记录电极由 PP-83电极拉制器（日本 Narishige公司）拉制，尖端开口约 2m，电极内充以 ACSF，电极阻抗为 37M，单细胞的胞外放电信号经膜片钳放大器 Axopatch200A放大并输入到计算机，利用生物电信号采集程序记录动作电位的峰峰间期（interspike interval，ISI）序列及放电频率直方图（第四军医大学物理学教研室提

11、供）. 1.2.1 放电型式的判定 以 ISI序列的特征、ISI 序列中 ISI数值变异程度即变异系数（vary coefficient）区别神经元放电型式.ISI 变异系数的计算公式如下:变异系数=标准差/平均值.标准差及平均值为加药前 5min ISI序列的统计量. 1.2.2 对 NE反应敏感性的判定 以放电频率增大或减少百分数作为分析指标，其计算公式如下:放电频率增大或减少百分数=（最大反应频率-基础频率）/基础频率100%.基础频率为加药前 3min放电的平均频率，最大反应频率为加药期间放电数增加或减少到最大值 1min放电的平均频率1 . 1.2.3 非线性动力学分析 利用现有的

12、SoUPO程序对非周期放电的ISI序列进行非稳定周期轨道（unstable period orbits，UPO）的检测，以确定非周期放电是否存在确定性5 ，即非周期放电是否具有混沌特性. 统计学处理:数据以 x s表示，进行 t检验. 2 结果 2.1 自发放电型式 在 25只幼鼠脑片的 SNc胞外记录了 280个神经元的自发放电.放电型式有两类:周期放电（period） ，其 ISI基本相等，分布较集中，序列的平均变异系数小于 0.10，占放电神经元总数的 89%.非周期放电（non-period） ，其 ISI显著不等，分布分散，序列平均变异系数大于 0.50，占放电神经元总数的 11%（

13、Fig1）. 图 1 黑质致密部神经元的放电型式 略 2.2 NE对神经元的兴奋作用 55%周期放电神经元、48%非周期放电神经元对 10mol L-1 NE产生兴奋反应.观察了 17个周期及 13个非周期放电神经元对 0.1，1 和 10mol L-1 NE的兴奋反应，其放电频率随NE浓度升高而增大.但是，非周期放电神经元对不同浓度 NE的反应程度均比周期放电神经元大，其浓度-效应曲线相对于周期放电神经元显著左移（P0.01，Fig2） ，表明非周期放电神经元比周期放电神经元对 NE的兴奋作用更敏感. 2.3 NE对神经元的抑制作用 35%周期放电神经元、44%非周期放电神经元对 10nmo

14、l L-1 NE产生抑制反应.观察了 18个周期及 12个非周期放电神经元对 1，10 和 100nmol L-1 NE的抑制反应，其放电频率随 NE浓度升高而减少.对于非周期放电神经元来说，一般 1nmol L-1 NE即可使放电减少达到完全抑制的程度，随着 NE浓度的逐步增加，完全抑制时间也逐步延长.而对于周期放电神经元，虽然随着 NE浓度的增加，抑制程度也相应加强，但即使 NE浓度达到 100nmol L-1 也不出现完全抑制.统计处理表明，非周期放电神经元比周期放电神经元对 NE的抑制作用更敏感（P0.01，Fig3）. 2.4 肾上腺素受体及 DA受体拮抗剂的作用 应用 -肾上腺素受

15、体拮抗剂酚妥拉明（20mol L-1 ）预孵育脑片，观察对 8例 NE兴奋作用的影响，结果 8例 NE兴奋作用均被阻断.8 例神经元中 5例周期放电神经元，3 例非周期放电神经元.用酚妥拉明（20mol L-1 ）预孵育脑片，观察对 7例 NE抑制作用的影响，抑制作用未被阻断，而应用 DA受体拮抗剂舒必利（1mol L-1 ）预孵育脑片，NE 的抑制作用被阻断. 7 例神经元中 4例周期放电神经元，3 例非周期放电神经元. 图 2 不同浓度去甲肾上腺素对周期与非周期放电神经元兴奋作用的比较 略 2.5 放电序列的 UPO检测 对 5例非周期放电神经元的 ISI序列进行 UPO检测.在 3例 I

16、SI序列中检测到了非稳定周期 1、周期 2及周期 3轨道，在 2例 ISI序列中检测到了非稳定周期 1、周期 2轨道.在二维空间中所有周期 1轨道都位于对角线上，周期 2轨道是以对角线呈镜像对称的一对点，周期 3轨道是呈三角对称的三重点（Fig4）.对于 UPO的成功检测说明非周期放电神经元的放电序列具有确定性的动力学机制，既非周期放电具有混沌特性. 3 讨论 大鼠 SNc神经元以 DA神经元为主，在 DA神经元胞体上存在 D2 受体，此受体是 DA自身受体，NE 通过 D2 受体抑制神经元的自发电活动 3 .另外，电刺激蓝斑可在 SNc记录到兴奋性反应，此兴奋反应可被 1 受体拮抗剂阻断，表

17、明 NE还可通过 1 受体兴奋 SNc神经元.在我们的实验中，NE 的兴奋作用被 受体拮抗剂酚妥拉明阻断，抑制作用不能被酚妥拉明阻断，但可被 D2 受体拮抗剂舒必利阻断，这些都与文献报道相一致3 .离体的 SNc神经元有丰富的自发放电，并且放电型式各不相同4 .我们比较了周期与非周期两种不同型式放电神经元对 NE的反应敏感性.结果表明，无论是 NE的兴奋或抑制反应，非周期放电神经元都要比周期放电神经元对 NE更敏感.很多证据显示神经元的放电型式与反应敏感性存在密切的关系1，2 .我们曾根据非周期放电的受损初级感觉神经元对四乙基铵、钙离子、NE 和交感神经刺激反应敏感的现象提出了非周期敏感假说2

18、 .本实验又在正常的中枢神经元再次证明这一现象，提示非周期敏感现象可能是神经元活动的一个普遍特征.当然，要肯定这一现象的普遍性，还需在多种神经元分析刺激反应与放电型式的动力学关系. 图 3 不同浓度去甲肾上腺素对周期与非周期放电神经元抑制作用的比较 略 另外，对 SNc神经元的非周期放电进行非线性动力学分析显示，非周期放电的时间序列具有混沌动力学的骨架 UPO，提示 SNc神经元的非周期放电具有混沌特性1，2，6 .混沌是指貌似随机的动力学系统中存在着确定性因素，因为混沌的特性之一是初始条件的敏感性，即微小的扰动可产生巨大的响应5 ，推测正是因为混沌的敏感性决定了具有混沌特性的非周期放电神经元

19、的敏感性.由于混沌现象广泛地存在于生物组织中6 ，非周期敏感现象是否具有生物普遍性，我们将进一步的探索和研究. 图 4 对非周期放电进行非稳定周期轨道的检测 略 参考文献: 1Yang HJ，Hu SJ，Jian Z，Wan YH，Long KP.Relationship be-tween the sensitivity to tetraethylammonium and firing pattern of injured dorsal root ganglion neurons J.Shengli Xuebao（Acta Physiol Sin） ，2000;52（5）:395-401. 2

20、Hu SJ，Yang HJ，Jian Z，Long KP，Duan YB，Wan YH，Xing JL，Xu H，Ju G.Adrenergic sensitivity of neurons with non-pe-riodic firing activity in rat injured dorsal root ganglion J.Neu-roscience，2000;101:689-698. 3Han S，Jian Z，Hu SJ.Deterministic mechanism of spontaneous firing pattern from neurons of supraopti

21、c nucleus in the rat J.Shengwu Wuli Xuebao（Acta Biophys Sin） ，2000;16（3）:493-500. 4Rohrbacher J，Ichinohe N，Kitai ST.Electrophysiological char-acteristics of substantia nigra neurons in organotypic cultures:Spontaneous and evoked activities J.Neuroscience，2000;97（4）:703-714. 5Wagner CD，Persson PB.Chaos in the cardiovascular system:An update J.Cardiovasc Res，1998;40（2）:257-264. 6Mascio MD，Giovanni GD， Matteo VD，Esposito E.Decreased chaos of midbrain dopaminergic neurons after serotonin denerva-tion J.Neuroscience，1999;92（1）:237-243.