卡巴胆碱对初级听皮层第V层锥体神经元电生理特性的影响

【摘要】：听皮层(auditory cortex, AC)是听觉系统的高级中枢,用于处理和感知声音,其中初级听皮层(primary auditory cortex, AI)第V层(Layer 5, L5)锥体神经元在听觉信息处理中具有重要的作用。在体细胞外记录研究表明,学习可以诱导AI神经元产生频率特异性的听觉感受域可塑性(frequency-specific receptive field plasticity),该可塑性的产生依赖于胆碱能系统的调控,但其在细胞水平作用的神经机制尚未得到深入研究。本实验使用全细胞膜片钳技术,研究AIL5层锥体神经元的电生理特性及胆碱能受体激动剂卡巴胆碱(carbachol,CCh)对该神经元作用的细胞内机制。结果表明,浴液灌流CCh并注入去极化电流可以诱导AIL5层锥体神经元产生持续性放电(persistent activity, PA)现象。本论文的具体研究结果分为以下几个部分：1.在53只小鼠上共记录到108个位于AIL5层的锥体神经元,按神经元对注入去极化电流的发放模式分为两类：规则发放型(regular-spiking, RS)和内在爆发型(intrinsic-bursting, IB),其中RS神经元49个,IB神经元59个。RS和IB神经元的激活阈值(21.4±4.0 mV vs 13.6±3.5 mV)、输入阻抗(196.9±70.2 MΩ vs 120.5±44.2 MΩ)等电生理参数存在显著性差异(independent Mest, both p0.01);注入超极化电流,RS和IB神经元可产生去极化反跳(rebound)反应,其比例分别为36.7%(18/49)和54.2%(32/59)；IB神经元的超极化激活的内向电流(hyperpolarization-activated inward current, Ih)幅度显著高于RS神经元(9.8±3.0 pA vs 8.3±4.5 pA, independent t-test, p0.01)。2.激活胆碱能受体对神经元膜电位的影响。该部分实验共记录到82个神经元,其中RS神经元40个,IB神经元42个。激活胆碱能受体对神经元的膜电位的影响存在去极化、超极化和无改变三种类型。RS和IB神经元中膜电位去极化所占的比例分别为82.5%(33/40)和85.7%(36/42),超极化的比例分别为7.5%(3/40)和2.4%(1/42),无改变的比例分别为10.0%(4/40)和11.9%(5/42)。3.激活胆碱能受体并注入去极化电流对神经元的影响(n=108)。在激活胆碱能受体并注入去极化电流的条件下可诱导79.6%(86/108)的神经元产生PA,表现为神经元持续性去极化。根据PA的持续时间分为两种类型：自我终止型(self-terminating)和长时程型(long-lasting)。自我终止型PA在刺激结束后表现为膜电位去极化,发放频率增加,但持续时间小于30 s；长时程型PA在刺激结束后发放持续时间大于30 S。RS神经元中可产生PA的比例为81.6%(40/49),其中长时程型PA所占的比例为67.5%(27/40)IB神经元中产生PA的比例为78.0%(46/59),其中长时程型PA的比例为76.1%(35/46)。比较两类神经元的PA特性,结果表明IB神经元产生PA的潜伏期显著低于RS神经元(independent t-test,p0.05),但两类神经元PA的发放频率和刺激后膜电位无显著性差异(independent t-test,bothp0.05)。4.使用药理学方法进一步对PA的机制进行研究。结果表明：使用犬尿喹啉酸(kynurenic acid, KA)和木防已苦毒素(picrotoxin)分别阻断离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate)和γ-氨基丁酸(y-aminobutyric acid, GAB A)A型受体,PA的发放频率和刺激后膜电位显著增加(paired t-test, both p0.01);M型胆碱能受体(muscarinic acetylcholine receptor, mAChR)拮抗剂阿托品(atropine)可完全阻断PA的产生；PA的产生依赖于钙敏感性非选择性阳离子电流(calcium sensitive nonspecific cationic current,ICAN)的激活及细胞外Ca2+离子通过L型钙通道的内流,因为使用氟灭酸(flufenamic acid, FFA)阻断ICAN电流或去除细胞外Ca2+离子均可逆的阻断PA的产生,加入L型钙通道阻断剂硝苯地平(nifedipine,NIFE),部分抑制PA的产生,显著降低PA的发放频率(paired t-test, p0.01)。综上所述,小鼠AIL5层锥体神经元可分为RS和IB两种类型,其电生理特性存在显著性差异,这可能与神经元的形态结构、纤维投射区域和在声信息处理中作用不同有关。激活胆碱能受体并注入去极化电流,RS和IB神经元均可产生PA。药理学研究表明,RS和IB神经元中PA的产生可能通过相似的机制：PA不依赖于快速突触传递,但快速突触传递可能对PA起着调节作用；mAChR的激活、ICAN电流和Ca2+离子通过L型钙通道内流在诱导PA产生的过程中发挥重要作用。本研究结果为进一步了解神经元产生听觉感受域可塑性的神经机制提供了基础。