细胞兴奋性调节和脊髓运动控制机制的离子通道性研究

Persistent inward current (PIC) has been found in many types of neurons in vertebrates. Traditionally PIC is thought to be composed of two components: one is the sodium component which is tetrodotoxin (TTX) or Riluzole（Ril）sensitive, and the other is the calcium component which is dihydropyridine (DHP) sensitive. In a recent study we found a novel PIC which was resistant to TTX, DHP and Ril. We further demonstrated that this current was voltage-gated sodium current and widely expressed in rodent spinal neurons. The functional role of this current in spinal motor system remains unknown. Using ePet-EYFP transgenic mice combined with electrophysiological approaches, here we propose a study to investigate the electrophysiological and pharmacological properties of this current in locomotor areas of brainstem, to explore its modulatory properties by monoamines in the locomotor neurons from brainstem to spinal cord, and to determine its roles in regulating neuronal excitability and generating locomotion during fictive locomotion. In this study we will reveal the mechanisms of the multiple sodium channels which participate in generation of locomotion from neurons to neural networks. This study could provide insight into the ionic basis upon which the locomotion is initiated.

持续内向电流PIC（Persistent Inward Current）存在于在脊椎动物的多种神经元中。传统上认为它由两部分电流构成，一部分是对河豚毒素TTX 或利鲁唑Ril敏感的钠离子电流；另一部分是对二氢吡啶DHP 敏感的钙离子电流。最近我们发现一种全新的PIC，它对TTX, DHP 和Ril 具有强烈的阻抗作用。进一步的研究表明它是一种电压门控的钠离子电流，广泛存在于啮齿类动物的脊髓神经元中。该电流在脊髓运动系统中的作用目前尚不清楚。本研究使用电生理方法，在ePet-EYFP 转基因幼鼠上研究这个电流在脑干运动区域中的电生理和药理学特性；确定单胺神经递质对该电流从脑干到脊髓神经元中的调控作用；在虚拟运动状态下揭示该电流对细胞兴奋性调节和运动控制的作用。我们的研究将从神经元到神经网络的层面上揭示行走运动所依赖的多重钠离子通道的机制，在离子通道的水平上提高我们对运动机能的认识。

脊椎动物的行进运动由位于中脑的运动区MLR（Mesencephalic Locomotor Region）引导，由分布于脊髓中的神经网络群CPG（Central Pattern Generator）执行。研究表明位于脑干的5-HT神经元在行进运动中发挥着神经递质调控和运动信号传递的重要作用，然而我们目前对5-HT神经元在MLR和脑干区域中的功能及膜特性并不清楚。此外，行进运动中离子通道对神经元兴奋性的调节起到关键作用，其中持续内向电流PIC（Persistent Inward Current）是突触信号放大和兴奋性非线性增强的离子通道基础。传统上认为PIC由两部分电流构成，其一是对河豚毒素TTX或利鲁唑Ril敏感的钠离子电流；其二是对二氢吡啶DHP敏感的钙离子电流。2011我们发现一种新的钠离子PIC（TDR-PIC），它对TTX、DHP和Ril具有强烈的阻抗作用，广泛存在于啮齿类动物的脊髓神经元中。然而该电流是否存在于5-HT神经元中目前尚不清楚，它对神经元兴奋性的调节作用更不得而知。鉴此，我们使用全细胞膜片钳技术、免疫荧光技术以及神经元模型仿真技术，在ePet-EYFP 转基因幼鼠的中脑和脑干的运动区域，研究5-HT神经元的功能及细胞膜特性以及多重PIC，特别是TDR-PIC对神经元兴奋性调节的作用。研究表明：1. TDR-PIC广泛存在于脑干的5-HT神经元中，构成综合PIC的一个部分。由于激活电压的不同，多成分的PIC形成了台阶形电流并对神经元的兴奋性产生不同功能的调节作用。2. 5-HT神经元存在于MLR区域中，在这个区域中血清素能与谷氨酸能系统交互作用共同完成对5-HT神经元的调节作用。3. 运动干预对脊髓中间神经元的兴奋性具有上调作用，但这种作用依赖于神经元在脊髓版层中的位置分布。4. 虚拟运动状态下，运动神经元输出增益的变化是由于多重离子通道的调控所至。5. 5-HT神经元对乙酰胆碱ACh具有多重反应，其中兴奋性增强的反应是通过M3与M5受体介导，而兴奋性降低的反应是通过M2与M4受体介导。本项研究第一次发现了TDR-PIC在5-HT神经元中的表达以及5-HT神经元在MLR中的存在；揭示了单胺神经递质（特别是ACh）对5-HT神经元兴奋性调节的独特性，为进一步探索行进运动从MLR引发到CPG执行过程中的神经递质调控与离子通道机制奠定了基础。