Mauthner细胞和其他网状神经元组成的脑干逃跑网络_cropped

Mauthner细胞和其他网状神经元组成的脑干逃跑网络_cropped 首 都 医 科 大 学 学 报 2005 年 4 月 Ap r . 2005 第 26 卷 第 2 期Vol . 26 No . 2 Jo ur nal of Capital U niversit y of Medical Sciences Ma uthner 细胞和其他网状 † 神经元组成的脑干逃跑网络 首都医科大学生理学教研室 胡正娟 李效义 张丽娟 ( ) 摘要 :Maut hner 细胞 M 细胞是激活硬骨鱼类惊跳反射的指令性神经元 。近年有学者提出脑干逃跑网络的假说 ,应用 不同方法从不同研究水帄进行了验证 。本文就脑干逃跑网络概念的发生发展进行综述 ,并就未来研究方向进行展望 。 ( ) 自从 1859 年 Maut hner 细胞 M 细胞被发现 2 个推论 : 首先 , 如果 M 细胞被毁损 , 惊跳反射的 以来 ,对 M 细胞的研究已有一百多年历史 ,并且在第 1 阶段应该消失或是减弱 ;其二 ,人工刺激 M 细 20 世纪取得重大突破 。本文就 M 细胞与惊跳反 胞应该能够产生正常的惊跳反射 。但这 2 个推论 射相关性研究的一些进展做一综述 。 没有 1 个完全正确 。以 2 个实验为例进行说明 : DiDo menico 电解毁损金鱼的 M 细胞 ,发现无论单 1 M 细胞简介 侧毁损组还是双侧毁损组其惊跳反射都与对照组6 相似。此实验初步说明 M 细胞不是指令性神经 1 . 1 M 细胞的结构与功能 元 。Nissanov 在金鱼脊柱两侧各植入 1 对刺激电 M 细胞对称分布于硬骨鱼类延髓两侧各 400 极 ,研究人工电刺激 M 细胞所产生的反应 ,并和正 μm 处 ,帄齐第 ?神经根 ,位于脑表面下 1,2 mm 。 7 常惊跳反射作比较。统计学分析显示实验组的 μ胞体直径约 100 m 。树突主要分外侧树突和腹侧 μ树突 ,全长均在 500 m 左右 。轴突由胞体内侧发 反应明显弱于对照组 。这提示人工刺激可能只激 出后交叉至对侧贯穿脊髓全长 。活了 M 细胞 ,其他参与正常惊跳反射的神经元并 电生理学特性 : 逆向或顺向激活 M 细胞均能 没有被激活 。从以上实验看出 M 细胞并非指令性 在轴丘爆发动作电位 ,记录到的胞外负向场电位幅 1 神经元 ,可能还有其他神经元参与了惊跳反射 。 值可高达 40 mV ,是寻找 M 细胞的唯一线索 。 2 M 细胞接受并整合各种传入信息, 这些传 3 脑干逃跑网络 入信息引发惊跳反射或修饰 M 细胞兴奋性 。 随着人们对惊跳反射研究的深入 ,提出脑干逃 1 . 2 M 细胞与惊跳反射 硬骨鱼类通过惊跳反射来逃避捕食者的袭击 ,( ) 跑网络 brainstem escape net wo r k ,B EN 的概念 , 对于鱼类的生存至关重要 。Zot tolli 证明 M 细胞 并运用各种研究方法对此概念加以完善 。3 与惊跳反射有关。他记录了 M 细胞的电活动和 3 . 1 辣根过氧化酶逆向标记法躯干肌的肌电图 ,发现 M 细胞的激活总是和肌电 ( ) 用辣根过氧化酶 HR P逆向标记法研究硬骨 相关联 ,并且时间上 M 细胞的激活在前 ,肌电发生 鱼类网状脊髓系统 ,发现该系统的神经元可分成 7 4 在后 。Eato n发 现 金 鱼 惊 跳 反 射 可 分 为 2 个 阶个节段 ,每个节段内的神经元是节段性同源神经 段 :第 1 阶段鱼体弯曲成“C”状 , 第 2 阶段金鱼迅 元 。网状脊髓神经元在种系发生上的变化极少 ,无 速向前游动 ,逃离刺激所在地 。 论是帅年斑马鱼 、成年斑马鱼还是金鱼 ,其网状脊 髓系统神经元类型相同 、功能相近 。鉴于网状脊髓 8 神经元的性质 , Eato n 提出 B EN 的说法,认为惊2 指令性神经元 跳反射的发生不仅仅是 M 细胞的作用 ,可能还有 9 指令性神经元被认为是能触发一个完整行为 、 其他神经元的参与 。随后 Fo reman 等提出 MiD () 发出指 令 作 用 的 神 经 元 。Zot tolli 的 实 验 提 示 M 2 cm 细胞和 MiD 3 cm 细胞 2 种网状脊髓神经元 细胞能触发惊跳反射 。于是有人提出 M 细胞是指 可能也参与了惊跳反射的发生 。 令性神经元的假说 ,认为 M 细胞能接受多种感觉 3 . 2 共聚焦钙显像法 5 细胞内记录显示 M 细胞与惊跳反射有关 ,但 传入信息并加以整合后导致惊跳反射的发生。 如以 M 细胞是指令性神经元为前提 ,能得出精确穿刺找到 M 细胞相当困难 , 并且只能监测 1 收稿日期 :2004205211 ( ) † 北京市教委科技发展基金 KM200310025091资助项目 个细胞的电活动 ,无从得知在惊跳反射中发挥作用 11 种下行神经元轴突的分支情 帅年斑马鱼脑干 14 神经元的确切数目 。HR P 方法虽成功鉴定出网状 况,其中的 9 种都与惊跳反射有关 。这 9 种下 行神经元的轴突分支并不相同 ,可能参与惊跳反 脊髓神经元 ,但不能监测活体细胞的电活动 。共聚 焦钙显像法克服了上述缺陷 ,其原理如下 : 神经元 射的方式也各不一样 。Arata 和 Nakayasu 研制出 15 的电活动是钙浓度增加引起的 ,而钙浓度的增加可 一种单克隆抗体 A20 。A20 的特异之处在于其 通过荧光剂钙绿右旋糖酐所标记细胞荧光亮度的 只能使中枢神经系统的轴突着色 ,神经细胞胞体的 增加显示出来 。当标记细胞的荧光亮度增加时 ,可 突触 、外周的雪旺细胞均不能着色 。用 A20 抗体 推断 这 个 细 胞 发 生 了 电 活 动 。Eato n 和 Fo reman 法和双荧光标记法相结合来研究下行神经元轴突 10 的上述假设通过此法得到证实 ,随后 Liu的激光 分支与惊跳反射的关系是一个较好的思路 。 毁损实验也验证了他们的假说 。Gahtan 也观察到 4 . 2 基因变异与惊跳反射 (当敲击帅年斑马鱼头部后 此动作足以引发惊跳反 可以利用基因变异技术使 B EN 中某个神经元 ) 射,不管是同侧还是对侧的网状脊髓神经元均有 缺失或者使某个神经元数目增多 ,从而研究此神经 11 短潜伏期的钙反应,证实的确有大量脑干神经 元对惊跳反射的影响 。 有研究者认为神经元的发生与 Delta2Notch 侧 元参与惊跳反射的发生 。 支抑制机制有关 :加强 Delta2Notch 侧支抑制 ,长出 3 . 3 NAD P H2硫辛酰胺脱氢酶组织化学染色法的神经细胞数少于正常 ; 阻断 Delta2Notch 侧支抑 16 17 NAD P H2硫辛酰胺脱氢酶组织化学染色法能 制 ,长出的神经细胞数多于正常。Gray发现 ( ) 显示一氧化氮合酶 NO S。Bell 用此法观察 NO S ( ) 一种基因变异 des 变异,认为 des 变异通过 Delta2 12 在发生惊跳反射金鱼后脑的分布。所有实验组 Notch 侧支抑制起作用 。Liu 研究了 des 变异对斑 18 中 M 细胞均呈强阳性 ,并且阳性染色不仅限于 M 马鱼惊跳反射环路的影响, des 变异使 M 细胞 细胞 ,其他一些网状脊髓神经元也呈阳性 。结果提 的数目多于正常 。利用钙显像法观察到变异组的 示一氧化氮对惊跳反射可能有调节作用 ,同时说明 所有 M 细胞均参与了惊跳反射 ,并且该反射与对 其他网状脊髓神经元也参与了惊跳反射的发生 。 照组相似 。分析 M 细胞轴突分支和脊髓神经元的 3 . 4 Fos 样免疫组织化学法联系时发现 ,变异组中每个 M 细胞轴突分支的数 原癌基因 fo s 是研究各种刺激对神经系统影 目都少于对照组 。于是提出如下假说 : 所有的 M 响的一个非常有用的标记 。多种刺激能诱导 c2fo s 细胞均参与了惊跳反射 ,但有各自的支配范围 ,从 mRNA 的瞬时转录 和 Fo s 蛋白的表达 。Fo s 蛋白 而保证正常惊跳反射的发生 。这提示惊跳反射环 的表达有 3 条第 2 信使途径 , 分别是蛋白激酶 C 路具有适应性特点 ,这种适应对于哺乳动物惊跳反 ( ) () P KC,环磷酸腺苷 cAM P和钙依赖性钙调蛋白射的进化可能非常关键 ,因为哺乳动物惊跳反射环 2 + () Ca/ CaM。Bo sh 研究了虹鳟鱼 的 Fo s 样 免 疫路中的神经元数目大大超过了硬骨鱼类 ,但二者产 13 ,发现 Fo s 样免疫反应神经元广泛分布于 反应生的惊跳反射却很相似 。利用荧光显像和基因变 大脑和脊髓 。已知的参与惊跳反射的网状脊髓神 异相结合法研究网状脊髓神经元对惊跳反射的影 ( 经元都呈 Fo s 样免疫反应阳性 如 M 细胞 、MiD 2 响很有前景 。 ) cm 细胞和 MiD 3 cm 细胞。以往认为参与惊跳反 4 . 3 c2f os 与惊跳反射 射但没用实验证实的神经元也呈 Fo s 样免疫反应惊跳反射能诱导 c2fo s mRNA 的转录和 Fo s 蛋 () 阳性 如红核等,因而此法也证明参与惊跳反射的 白的表达 。可以在 M 细胞或其他网状脊髓神经元 2 + 神经元不仅仅是 M 细胞 。 ( ) 胞内注射各种物质 如 P KC 、cAM P 、Ca等来观 4 未来研究方向 首 都 医 科 大 学 学 报 第 26 卷 232 处 ? 最近有人发现组成大鼠逃跑环路的初级神经 兴奋阈值 、宽的频率范围和广泛的脊髓联系 。是否 元 ,即位于脑桥尾部网状核中的巨大网状脊髓神经 M 系统引导的运动控制机制也适用于哺乳动物 ? 元和 M 细胞一样也接受听神经的输入 ,具有高的 回答这个问题需要进行更深入的研究 。 献参考文 1 Hat ta K , Korn H. 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J 8159,8166 Neurosci , 1993 ,13 :4101,4113 The Bra in Stem Esca pe Net work Ma de Up of the Ma uthner Cell and Other Ident if ied Neurons He Zhengjuan , Li Xiaoyi , Zhang Lijuan De p a rt m en t of Physiology , Ca pi t al U ni ve rsi t y of M edical S ciences ABSTRACT : M2cells are t he co mmand neuro ns w hich active f ast2start respo nses such as seen in fishes () escaping f ro m p redato ry at tacks. Recently t he co ncep t of t he brain stem escape net wo r k B EN is bro ught fo rward. Many researchers co nfir m t he co ncep t f ro m different aspect s wit h different technology. The develop ment of t he B EN and fo recast t he directio n of f ut ure st udy o n B EN are reviewed.