关于受损背根节神经元对高浓度钙反应的敏感性与其放电型式的关系

作者：杨红军　胡三觉　段建红

【关键词】 神经节
　　关键词: 神经节，脊;神经元;非线性动力学
　　摘 要:目的 研究受损背根节（DRG）神经元的放电型式与其对高浓度钙（Ca2+ ）反应敏感性的关系. 方法 在大鼠慢性压迫DRG模型上记录单纤维的自发放电，比较具有周期和非周期放电型式的神经元对Ca2+ 反应敏感性. 结果 21%的周期放电神经元和83%的非周期放电神经元对Ca2+ （5mmol L-1 ）有反应（P&<0.01）.非周期放电神经元对不同浓度Ca2+ 的反应均比周期放电神经元大（P&<0.01）.将对Ca2+ 无反应的周期放电神经元转化为非周期放电后，对同一浓度的Ca2+ 出现明显的反应. 结论 非周期放电神经元比周期放电神经元对高钙反应敏感.

　　
　　Keywords:ganglia，spinal;neurons;nonlinear dynamics
　　
　　Abstract:AIM To study the relationship between the firing pattern and sensitivity of injured dorsal root ganglion（DRG）neuron to higher Ca2+ .METHODS Spontaneous activities from single fiber of chronically compressed DRG neurons in rats were recorded，which were pided into periodic and non-periodic firing patterns.The sensitivities of two firing pattern neurons to Ca2+ were compared.RESULTS It was found that21%in periodic and83%in non-periodic firing neurons responded to Ca2+ （5mmol L-1 ）（P&<0.01）.The responses of non-periodic firing neurons to Ca2+ with different concen-tration were more pronounced than those of periodic firing neurons（P&<0.01）.The periodic firing neurons showed no response to Ca2+ （5mmol L-1 ）;after the firing pattern of these neurons was transformed to non-periodic firing pattern，the responses of these neurons to Ca2+ （5mmol L-1 ）became　apparent.CONCLUSION Non-periodic firing neurons are more sensitive to higher Ca2+ than the periodic firing neu-rons.
　　
　　0 引言
　　
　　神经元对外界刺激反应的敏感性因神经元的差异而不同，其敏感性受到细胞膜上的受体、通道、细胞内信使以及基因等方面的调控［1，2］ .但是，神经元对刺激反应的敏感性与其放电型式是否相关尚不清楚.我们以往的工作发现受损的背根节（DRG）神经元对K+ 通道阻滞剂四乙基铵（TEA）、去甲肾上腺素（NE）和交感神经刺激（SS）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“非周期敏感”现象可能与混沌特性有关［3，4］ .受损DRG神经元对TEA，NE和SS的反应主要是兴奋性反应［2，3］ ，为了论证“非周期敏感”现象的普遍性，我们选用可引起抑制性反应的含有高浓度钙（Ca
2+ ）人工脑脊液［5］ ，在大鼠背根节慢性压迫模型上观察受损DRG神经元对Ca2+ 反应的敏感性与其放电型式之间的关系.
　　
　　1 材料和方法
　　
　　1.1 动物及手术 SD大鼠25只，体质量200～300g，雌雄不拘，由本校实验动物中心提供.DRG慢性压迫模型的制备方法［6］ :在麻醉和消毒条件下，暴露一侧第5腰椎（L5）的椎间孔，并将一L型不锈钢柱（长4mm，直径0.5～0.8mm）插入L5椎间孔以形成对DRG的持续压迫.术后1～15d，在麻醉下进行腰部椎板切除术，在L1～L2和L4～L5分别制备两个浴槽.在L4～L5浴槽，充分暴露受损的L5DRG，并在DRG外周端切断脊神经，防止外周感受器的传入冲动.在L4～L5浴槽内灌充35～37℃的人工脑脊液（artificial cerebrospinal fluid，ACSF，成分（mmol L-1 ）:NaCl150，KCl5，MgCl2 1，CaCl2 2，glucose10，Tris5）或含有Ca2+ （3.5～20mmol L-1 ）的ACSF.加Ca2+ 时间3min，间隔时间10min.在L1～L2浴槽分离L5背根，并用35～37℃的液体石蜡覆盖.在立体显微镜下，从L5背根分离神经细束，把外周端悬挂在白金丝电极上，引导来自受损DRG神经元的放电，并在示波器显示.根据放电的波幅和波形是否相同确定单根纤维放电.根据放电的波形为单相峰，波宽较窄（&<1ms）和纤维传导速度在4.4～38.5m s-1 范围确定是A类纤维［6］ .
　　
　　1.2 自发放电记录与分析 在计算机上记录动作电位的峰峰间期（Interspike interval ISI）序列和放电密度直方图，用ISI时间序列散点图显示放电型式.为了判定神经元对Ca2+ 反应的敏感性，以放电频率减少百分数作为分析指标，其计算公式如下:放电频率减少百分数=基础频率―反应频率基础频率 ×100%基础频率为加Ca
2+ 前3min放电的平均频率，反应频率为加Ca2+ 期间放电数减少到最低值1min的平均频率［2］ .数据以x ±s和百分率表示，进行t检验和χ2 检验.
　　2 结果
　　
　　2.1 受损DRG神经元自发放电型式（Fig1）
　　
　　图1 略
　　
　　2.2 受损DRG神经元对Ca2+ 的反应特征 受损DRG神经元在基础状态下自发放电频率相对稳定，每分钟平均频率波动4.2%（0%～12.1%，n=91），因此，把高钙引起放电频率变化百分数超过15%作为该神经元对高钙有反应的标准.实验发现:21%的周期放电神经元对Ca2+ （5mmol L-1 ）有反应，而83%的非周期放电神经元有反应（P&<0.01，Fig1）.
　　2.3 周期放电和非周期放电神经元对不同浓度Ca2+ 的反应 观察22个周期放电和20个非周期放电神经元对3.5，5，10和20mmol L-1 Ca2+ 的反应，其反应随Ca2+ 浓度的升高而增大.但是，非周期放电神经元对3.5，5，10和20mmol L-1 Ca2+ 的反应均比周期放电神经元大，其浓度―反应曲线相对与周期放电神经元显著左移（P&<0.01，配对t检验）（Fig2）.
　　
　　图2 －图3 略
　　
　　3 讨论
　　
　　DRG慢性压迫模型提供了丰富型式的自发放电［6］ ，我们比较了周期与非周期两类放电型式神经元对Ca
2+ 反应的敏感性，发现非周期放电的受损DRG神经元对Ca2+ （5mmol L-1 ）的反应出现率显著高于周期放电神经元（P&<0.01）.非周期放电神经元对不同浓度Ca2+ 的反应程度均比周期放电神经元大（P&<0.01）.可见，非周期放电神经元对Ca2+ 的反应比周期放电者敏感.在同一神经元上观察到在周期放电状态下对Ca2+ 无反应，而在转变为非周期放电状态下对同一浓度的Ca2+ 有明显的反应.这在同一神经元上观察到的“非周期敏感”现象可以排除不同神经元之间差异对反应的影响.我们曾根据非周期放电神经元对NE，TEA和SS的反应敏感现象提出了神经元“非周期敏感”的假说［3，4］ .Ca2+ 可激活Ca2+ 依赖性K+ 通道，使后超极化增大，放电频率减少 ［5］ ，尽管NE，TEA，SS和Ca2+ 作用于受损DRG神经元的机制不同，引起的反应也不同［2-4］ ，但其反应都表现出“非周期敏感”现象，提示该现象可能是神经元活动的一个普遍的动力学特征.
　　
　　已发现受损初级感觉神经的非周期放电具有确定性的混沌［3，4，7，8］ .混沌的基本特性之一是对初始条件非常敏感，此外，它对微小的扰动可产生巨大的响应［9］ .混沌的这种基本特性是否使具有混沌特性放电的神经元对外界刺激反应的敏感性发生变化.Faure等［10］ 人发现在硬骨鱼类中枢神经的Mauthner细胞上突触的混沌电活动可调节该神经元对外界刺激反应的敏感性.Liljenstrom［11］ 在嗅皮层神经网络理论模型上研究发现:嗅皮层神经的混沌电活动可以提高嗅皮层对信息处理速度和对刺激的敏感性.我们观察到含有混沌的非周期放电神经元对高钙反应敏感的现象，提示混沌基本特性可能影响神经元的反应敏感性，由于混沌现象广泛地存在于神经、循环等各个系统中［12］ ，“非周期敏感”现象是否反映了生物界反应活动的普遍性规律?我们正从不同的角度进行探索.
　　
　　参考文献:
　　
　　［1］Waxman SG，Cummins TR，Dib-Hajj S，Fjel J，Black JA.Sodi-um channels and pain ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1999;96（7）:7635-7639.
　　［2］Xu H，Hu SJ，Han Y，Long KP.Indirect coupling mechanism of adrenosensitity in chronically compressed dorsal root ganglion neurons in rats ［J］.Di-si Junyi Daxue Xuebao（J Fourth Mil Med Univ），1999;20（7）:566-569.
　　［3］Yang HJ，Hu SJ，Jian Z，Wan YH，Long KP.Relationship be-tween sensitivity to tetreaethylammonium and firing pattern of injured dorsal root ganglion neurons ［J］.Shengli Xuebao（Acta Physiol Sinica），2000;52（5）:355-358.
　　［4］Hu SJ，Yang HJ，Jian Z，Long KP，Duan YB，Ju G.Adrener-gic sensitivity of neurons with non-periodic firing activity in rat injured dorsal root ganglion ［J］.Neuroscience，2000;101（3）:689-698.
　　［5］Xing JL，Hu SJ.Relationship between calcium-dependent potas-sium channel and ectopic spontaneous discharges of injured dor-sal root ganglion neurons in the rat ［J］.Brain Res，1999;838（2）:218-221.
　　［6］Hu SJ，Xing JL.An experimental model for chronic compression of dorsal root ganglion produced by intervertebral foramen stenosis in rat ［J］.Pain，1998;77（1）:15-23.
　　［7］Long KP，Hu SJ，Duan YB，Xu H.Pattern and dynamic changes of integer multiples in spontaneous discharge of injured dorsal root ganglion neurons ［J］.Shengli Xubao（Acta Physiol
Sinica），1999;51（5）:481-487.
　　
　　［8］Xu JX，Gong YF，Ren W，Hu SJ，Wang FZ.Propagation of pe-riodic and chaotic action potential trains along nerve fibers ［J］.Phys D，1997;100（2）:212-331.
　　［9］Schiff SJ，Jerger K，Duong DH，Chang T，Spano ML，Ditto WL.Controlling chaos in the brain ［J］.Nature，1994;370（6491）:615-620.
　　［10］Faure P，Korn H.A nonrandom dynamic component in the synaptic noise of a central neuron ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1997;94（12）:6506-6511.
　　［11］Liljenstrom H.Global effects of fluctuations in neural informa-tion processing ［J］.Int J Neural Syst，1996;7（7）:497-505.［12］Wagner CD，Persson PB.Chaos in the cardiovascular system:An update ［J］.Cardiovasc Res，1998;40（2）:257-264.
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