论文部分内容阅读
长期以来，神经纤维（轴突）被认为是个单一的传导通道，如同分布于神经元之间的电缆，其任务就是使携带信息的动作电位序列（或称放电序列）忠实地从胞体传导到神经末梢，反之亦然。凭借大量的神经纤维和为数众多的分支以及突触结构，神经元之间以及与周边感受器或效应器之间保持功能联系，构成了复杂的信息加工与整合系统。然而，越来越多的研究结果使人们不得不重新审视神经纤维，特别是无髓纤维（C纤维）的功能。例如：C纤维的传导具有显著的后作用，使得后续动作电位的传导速度出现减慢或加快等非线性变化，短串脉冲刺激可使放电序列的动作电位间期（ISI）发生明显改变，部分神经纤维出现了折返传导或传导失败等现象。这些结果都提示在某些条件下C纤维并非“忠实”地按照动作电位序列发生时的“原貌”进行传导，而是在传导过程中可能存在对放电序列的加工与整合。为了论证这一可能发生在神经纤维传导过程的信息加工与整合，揭示一种新的神经信息编码方式-“传导编码”，首先需要明确回答下述重要问题：（一）放电序列（主要指动作电位间期ISI序列）发生了哪些规律性变化；（二）这些变化发生在传导过程还是在刺激局部；（三）参予调变“传导编码”的基本机制与影响因素。本项课题按照这一思路展开了探索性研究，以求为揭示“传导编码”这一新现象提供科学依据。本研究以家兔的隐神经为实验对象，应用在体单纤维分离技术，从胞外记录单根C纤维放电序列，观察不同方式（连续重复脉冲与串脉冲）和不同频率刺激条件下放电间期ISI序列的变化规律，分析传导速度与传导距离变化以及相关通道电流对放电间期ISI序列变化的影响，并运用数学模型进行验证，为确立“传导编码”现象获得基本的实验与理论依据。主要研究结果：第一部分连续重复脉冲刺激引起放电ISI序列的变化1、在连续重复脉冲刺激下，纤维放电形式存在很大差异。检测了510根C纤维，根据放电序列（主要指ISI序列）变化和动作电位丢峰形式可以将纤维分为三类。Ⅰ类为不丢峰纤维（81根，占检测纤维总数16.9％），在33Hz或低于该频率的重复刺激（连续1000次），可连续放电不发生丢峰，ISI序列除了起始几次略微减小外基本保持不变。Ⅱ类为交替丢峰纤维（79根，14.7％），分别在5、10、20和33Hz频率重复刺激时，可交替出现串放电与长时间丢峰。Ⅲ类为无规则丢峰纤维（349根，68.4％），分别在5、10、20和33Hz频率重复刺激时，发生程度不同的无规则丢峰，ISI序列发生了显著改变。2、不同类型纤维在重复刺激时传导速度（CV）的变化程度不同。不丢峰类型纤维的平均CV为1.41 m／s（n=20）。给予20Hz（1000个脉冲）刺激，CV呈指数形式降低到1.05m／s，没有发生丢峰。但在起始的数个放电的CV从1.31m／s上升到1.34m／s，然后逐渐下降。交替丢峰纤维平均CV为0.84m／s（n=20），在重复刺激过程中CV逐渐减慢，当降低到0.68m／s（n=20），则发生传导丢峰。经过一段间歇期，CV从0.68m／s升高到0.72m／s，重新出现放电直到CV减慢到一定程度再次出现丢峰期，依次交替变化。无规则丢峰纤维的平均CV为1.01m／s（n=20），重复刺激过程中不断减慢。当CV下降到0.83m／s（n=20）则发生不规则丢峰，此后CV围绕在0.83m／s左右波动。3、Ⅱ类与Ⅲ类丢峰纤维在重复刺激出现丢峰前ISI出现明显的波动。根据波动幅度变化可将丢峰前ISI分为三个时相：第一时相ISI短暂的增大，其幅值大于刺激间隔，变异系数大于0.02。第二时相ISI保持较长时间的稳定，ISI与刺激间隔相近，变异系数小于0.02。第三时相ISI围绕刺激间隔出现大较大幅度的正负波动，波动幅度越来越大呈现“喇叭口”形状，直至出现丢峰。Ⅱ类与Ⅲ类纤维三个时相的长短以及相关参数有明显差异。4、在连续重复刺激过程中，活动依赖性CV减慢和ISI波动两个条件的相互组合是决定丢峰的条件。当交替丢峰纤维CV减慢程度小于6％时，ISI的波动幅度小于0.2ms，ISI序列保持于稳定状态。一旦CV减慢程度大于6％，ISI序列出现明显的波动，当CV减慢程度达到14％时，ISI波动幅度达到3ms，随即发生丢峰；在无规则丢峰纤维，在CV减慢程度小于27％时，ISI序列保持稳定状态，波动幅度小于0.10ms。一旦CV减慢程度大于27％时，ISI序列出现明显的波动。当CV减慢达到34.8％时，ISI波动达到了1.70ms，随即发生丢峰。5、在同一C纤维上两个不同传导距离（76±5mm、44±6mm）对传导丢峰的影响不同（N=14）。两个部位静息时的CV相似，但分别施加20Hz刺激20s时，长距离刺激引起丢峰所经历的时间为16.0±0.7s，而短距离刺激则需要27.0±0.6s；此时前者CV减慢的程度为10.0±2.0％，后者为17.5±3.0％，表明传导距离越长，越容易引起丢峰。6、4-AP（IA电流阻断剂，10、20、40μM）能够浓度依赖性地减弱甚至消除重复刺激引起的交替丢峰或无规则丢峰现象，并且使活动依赖性CV减慢曲线斜率相应减小。在检测的40例中29例出现类似结果，8例在4-AP作用下放电反而减少，3例4-AP无明显作用。7、ZD7288（Ih电流阻断剂，5、10、20μM）能够浓度依赖性地增强重复刺激引起的交替丢峰或无规则丢峰现象，并且使活动依赖性CV减慢曲线斜率相应增大。在检测的40例中22例出现了类似结果，另有9例对ZD7288不敏感无明显作用，4例丢峰程度出现轻微增加，5例加入5μM的ZD7288便使放电完全消失。8、借助H-H方程进行了数值模拟能初步模拟试验中观察到的一些现象。在改变模型参数时能够模拟动作电位传导速度发生改变，无规则丢峰、交替丢峰、不丢峰形式的传导，与实验中观察到的现象一致。第二部分串脉冲刺激引起放电ISI序列的变化1、在串脉冲刺激下，纤维之间放电形式有很大差异。施加串脉冲刺激，每串5个脉冲，串内脉冲间隔20或50ms，串间隔为200或500ms，共200串刺激。根据ISI(主要指首个ISI即ISI1-2)变化的特征将纤维分为三类。第一类纤维，ISI1-2先增大后减小。当给予串脉冲刺激（串内脉冲间隔20ms），ISI1-2逐渐增加到24ms，然后一直减小到8ms，并维持在8ms附近，ISI2-3、ISI3-4、ISI4-5也发生不同程度的变化。第二类型纤维ISI1-2出现增大与减小的交替波动。当施加串刺激的串内间隔为50ms，串间间隔为500ms时，ISI1-2增大到54ms，随后减小到48ms，又增大到51ms，再又减小到50ms，随即发生丢峰。第三类纤维ISI1-2维持在较大水平。例如给予串内间隔为50ms，串间间隔为500ms的串刺激，ISI1-2增大到54ms，并且维持一段时间后才缓慢减小到52ms，随即发生了丢峰。2、4-AP可导致串刺激引起的ISI变异程度浓度依赖性减小。当施加10μM4-AP，ISI1-2最小值由12.5ms转变到14.0ms，稳定值由15.0ms转变到16.5ms。当加入20μM ZD7288后，ISI1-2最小值转变为15.0ms，稳定值在18.0ms。3、ZD7288可导致串刺激引起的ISI变异程度浓度依赖性增大。例如给予纤维串内间隔为20ms，串间间隔为200ms的串刺激。当加入5μM ZD7288后，ISI1-2最小值由对照组的15.0ms转变为13.5ms，最后稳定值则由19.5ms转变成18.0ms。4、串刺激的串间间隔改变可显著影响ISI的排列。当串内间隔固定为30ms，串间间隔分别为400ms、300ms、200ms，可以看到随着串间刺激间隔的减小，ISI的变化也越来越大，400ms时只有ISI1-2的变化比较大，其余三个ISI变化很小，而当串间间隔改为300ms或200ms时，其余3个ISI的变化也逐渐增大。主要结论：1、连续重复脉冲刺激能使大部分C纤维的放电ISI序列发生显著的变化，可分为连续放电、交替丢峰与不规则丢峰三种基本类型。2、连续串脉冲刺激可使C纤维的放电ISI序列（主要指各串1-2放电间隔）分别发生先增大后减小、增大与减小多次波动以及持续减小等三种基本类型的变化。3、C纤维的放电ISI序列变化的主要原因是传导速度的活动依赖性减慢。4、在连续脉冲刺激出现丢峰之前C纤维发生了ISI与传导速度的波动。不同类型纤维ISI波动的幅度与时程有明显差异，但是不同类型纤维丢峰前传导速度波动程度相近似，它可作为出现丢峰的“指示器”。5、ISI变异程度以及丢峰的程度与动作电位传导的距离相关，表明刺激引起的放电ISI变化发生在传导过程。6、IA与Ih通道电流参与介导连续和串刺激引起放电ISI序列变化，提示后超极化电位的调变可能是发生传导速度与ISI序列变化的主要机制。7、实验结果揭示了C纤维的“传导编码”现象，并得到理论上的初步验证。