猫皮层SⅠ区神经元对刺激VPL的反应
及其膜电学特性的研究^*

张日辉　滕国玺

　　摘要　本文采用细胞内记录技术,研究了猫皮层第一躯体感觉区(primary somatosensory cortex area,SⅠ区) 躯体伤害感受神经元膜的电学特性和对刺激腹后外侧核(ventral posterior lateral nucleus,VPL核)的反应。极化电流绝对值小于或等于1.0 nA时,伤害感受神经元I-V极相关(r=0.96),整流作用不明显; 极化电流绝对值大于1.0 nA时,在两个方向上发生整流,I-V曲线表现为S型,其中伤害感受神经元的整流作用较非伤害感受神经元明显。伤害性感受神经元Rm、τ、Cm明显大于非伤害感受神经元( P<0.01或P<0.0 5)。刺激VPL与刺激隐神经在SⅠ区伤害感受神经元的诱发反应中存有相似与不同两种形式。用细胞内电位记录方法证明了单一神经元有会聚现象。结果提示,SⅠ 区伤害感受神经元与非伤害感受神经元可能在细胞膜形态结构、细胞体积大小等方面存在有意义的差别,从而反映其不同的生理功能。
　　关键词: 第一躯体感觉区; 腹后外侧核; 伤害感受性神经元; 细胞膜常数
　　学科分类号: Q424

RESPONSE AND MEMBRANE PROPERTIES OF
NOCICEPTIVE NEURONS IN SⅠ TO STIMULATION OF VPL^*

ZHANG　RI-HUI，TENG　GUO-XI
(Laboratory of Neurophysiology,Brain Research Institute,China Medical University,Shenyang 110001)

　　ABSTRACT　Intracellular potentials were recorded from nociceptive neurons(NCNs) in primary somatosensory cortex area (SⅠ) of cats in response to stimulation of ventral posterior lateral nucleus (VPL).When the polarizing current injected into NCNs was ≤1.0 nA,the I-V curve was quite linear (r=0.96).However,when the polarizing current was ＞1.0 nA,rectification rendered the I-V curve sigmoid in shape.The rectification in NCNs was more prominent than that in NNCNs.Rm,τ and Cm of the NCNs were obviously larger than those of NNCNs(P<0.01 or P<0.05).The responses of NCNs evoked by stimulating VPL and SN might be similar or different.Implications of the differences of NCN and NNCN were discussed.
　　Key words: primary sensory cortex (SⅠ); ventrol posterior lateral nucleus (VPL); nociceptive neuron; cell membrane constant

　　皮层第一躯体感觉区(primary somatosensory cortex area,SⅠ区)与感受痛觉有关,已得到普遍公认^［1,2］ 。解剖学和电生理学都证明,SⅠ区与腹后外侧核(ventral posterior lateral nucleus,VPL核)之间存在往返纤维联系^［3,4］。关于VPL核和SⅠ区伤害感受神经元(nociceptive neurons,NCNs) 在痛觉感受及调制中的可能联系方式及作用的研究报道还很少,目前尚无一致的意见。本文采用细胞内记录技术,观察猫SⅠ区与隐神经(saphenous nerve,SN) 伤害刺激相关的神经元与非伤害感受神经元(non-nociceptive neurons,NNCNs)的电生理特性及对刺激VPL的反应,为探讨伤害感受性神经元的机能作出尝试。
　　实验选用成年健康猫(体重2.0～3.0 kg)18只,雌雄不限。1%戊巴比妥钠(30 mg/kg)静脉麻醉,施行气管插管保证呼吸畅通或备人工呼吸。剥离左后肢SN,按放刺激电极。作第四脑室引流,在右侧SⅠ区位置开颅(直径8 mm)暴露SⅠ区,在右侧颅骨相当于VPL核处钻孔(直径8 mm),插入双极刺激电极。按皮层沟回直观定位,将尖端直径小于或等于0.5 μm (电阻30～50 MΩ)内充3 mol/L KCl溶液的玻璃微电极经推进器逐渐推入SⅠ区SN投射区。当微电极插入神经元并稍稳定后,给予SN刺激(单脉冲方波,强度1.0 mA,波宽0.5 ms) 或VPL核刺激(强度1.0 mA,波宽0.5 ms,单个或2～5个方波短串)。必要时用木棒触毛、有齿镊子钳夹后肢皮肤、注入吗啡等检出NCNs,对部分神经元通过细胞内微电极给一系列不同强度(-5 nA～+5 nA,波宽50 ms) 的直流极化电流。将引导的细胞内电位经MEZ-8201生物放大器,输入VC-10示波器观察SⅠ区神经元细胞内电位及其变化,同时作磁带记录,再输入ATAC-350数据处理机处理,并由X-Y记录仪描记实验结果备实验后分析。

　　1.SⅠ区NCNs对SN伤害刺激和电刺激VPL的反应

　　SN诱发反应的特性　　本实验观察的神经元静息电位绝对值大于40 mV并能维持这一水平长达5 min以上,不符合此条件的舍弃之。在SⅠ区观察了118个NCNs对强方波电脉冲刺激SN的诱发反应,有兴奋性和抑制性两种反应。SN诱发的兴奋性反应包括刺激诱发的局部除极化(EPSP)及其上单峰、多峰锋电位发放和增频反应,其中特异性NCNs 23个,非特异性NCNs 13个,增频反应神经元33个。SN诱发的抑制性反应包括局部超极化(IPSP)和减频反应,其中特异性NCNs 2个,非特异性NCNs 9个,减频神经元38个。
　　SⅠ区NCNs细胞内电位对刺激VPL的反应　　在SⅠ区观察了83个SN刺激相关的NCNs对刺激VPL的反应。结果: 在同一NCNs,刺激SN与刺激VPL反应型式相似(图1)的NCNs有 42个(50.60%),反应型式不同的NCNs有33个(39.76%),另有8个(9.64%)NCNs对刺激 VPL无反应。刺激VPL诱发放电与SN诱发放电在同一NCNs发生会聚的占90.36%。

图1　伤害性刺激隐神经及刺激VPL诱发SⅠ区中神经元放电的相似型式
Fig.1　Similarity in the pattern of discharge of NCNs in SⅠ due to noxious stimulation of SN and VPL A:　a/b/c,a neuron with no spontaneous discharge /two superposed EPSPs due to
stimulation of SN and /two superposed EPSPs due to stimulation of VPL．
B:　a/b/c,another neuron with spontaneous discharge /increase frequency of discharge to stimulation of VPL and /to stimulation of SN.

　　2.SⅠ区NCNs膜电学特性

　　SⅠ区神经元I-V相关性　　通过细胞内微电极给观察细胞注入一系列不同强度的极化电流(△I),相应记录到一组对应的电紧张电位(△V),作图得I-V曲线(图2)。在极化电流绝对值小于或等于1 nA时,NCNs I与V极相关(r=0.96),NNCNs I与V也呈直线相关(r=0.74),整流作用不明显; 在极化电流绝对值大于1 nA时,可在两个方向上发生整流,从而I-V曲线表现为S型,其中NCNs整流作用较NNCNs整流作用明显,Rm迅速降低。

图2　NCNs与NNCNs的I-V曲线
Fig.2　The I-V curve of NCNs (○) and NNCNs (●)

　　SⅠ区神经元膜电学参数　　按照欧姆定律计算出膜电阻(Rm=△V/△I),并由电位变化到最大值的63%时所需要的时间得到时间常数τ,又根据公式Cm=τ/Rm 计算出膜电容,统计结果(见表1): NCNs Rm、τ、Cm明显大于NNCNs,其差异显著(P<0.01或P<0.05)。

表1　SⅠ区NCNs与NNCNs膜参数
Table 1　Differences in the membrane parameters of the NCN and NNCN in SⅠ area

Electric parameters	NCNs (n=24)	NNCNs　(n=11)	Significant test
Rm/MΩ	17.98±2.62	14.27±3.28	P<0.01
τ/ms	2.17±0.70	1.24±0.44	P<0.01
Cm/pf	12.78±3.72	9.42±4.37	P＜0.05

　　SⅠ区躯体相关神经元对伤害性SN刺激的反应表现为两种形式: 兴奋性反应和抑制性反应。我室以前的工作表明: 潜伏期为十几毫秒的反应为非伤害性反应成分,70 ms 或200 ms的反应为伤害性反应成分^［5］。本实验观察的相关神经元诱发反应的潜伏期较长,因此可以认为具有伤害感受性质。有的神经元对SN刺激或刺激VPL产生更长潜伏期(350 ms左右)的反应,而且不恒定,用细胞内电位记录方法观察SⅠ区同一NCNs 对刺激 SN 和VPL的反应,证明单一神经元有会聚现象(占90.36%)。同时观察到刺激VPL核与刺激SN 在SⅠ区同一NCNs的诱发反应中存有相似与不同两种型式,反应型式相似是指除反应性质(如兴奋性反应或抑制性反应)相同外,其诱发反应的成分(指长潜伏期或短潜伏期反应)也相同,刺激VPL诱发反应的潜伏期通常比刺激SN诱发反应的潜伏期短。反应型式不同是指诱发反应的性质和成分两方都不同,或性质与成分仅一方不同。说明VPL是痛觉传导通路上的重要中继站; 在VPL核与皮层SⅠ区间可能存在一条伤害感受神经元相互联系的环路,在痛觉的调制中发挥作用。
　　本实验测得SⅠ区NCNs的Rm、τ值、Cm均比NNCNs大(P<0.01或P<0.05)。而NCNs中特异性与非特异性NCNs的Rm、τ值、Cm差异不显著(P>0.05)。NNCNs Rm为14 MΩ,与文献报道^［6～8］的海马、锥体束、运动皮层神经元电阻相似,NCNs Rm为17 MΩ,较NNCNs 电阻大(P<0.01)。此结果提示：　NCNs与NNCNs在膜结构特征上可能存有差异。Rm 及τ是反映膜被动性质的电学参数。τ值越小,表示膜易于去极化,则信号扩散的速率越快^［9］。在体研究发现,胞体较小的细胞趋向于有较大的Rm^［10］。Lux等^［7］研究表明较高的Rm,必然有较大的τ和较长的树突,电紧张扩布也增强。我们认为NCNs电阻高,信号传导速率也较慢。而NNCNs电阻低,可能是无明确定位的低突触安全率,广泛区域分布的兴奋细胞,对维持大脑皮层的兴奋性起作用。结果提示,SⅠ区NCNs与NNCNs可能在细胞膜形态结构、细胞体积大小等方面存在差异,从而反映其不同的细胞生理机能。特异性NCNs 可能伺服伤害信息的感受,非特异性NCNs对痛觉产生的警觉、情绪反应有关^［11］; 而NNCNs可能对大脑皮层起易化作用,维持大脑皮层处于觉醒状态。目前我们尚未看到有关皮层NCNs 的Rm、τ、Cm等电学参数研究的报道。作者认为NCNs 的此电学参数特点也可为痛觉的特异性学说提供实验资料。
　　衷心感谢刘素珍和蔡葵老师在实验中的亲切指导和热情帮助。

^*国家自然科学基金资助项目 (No.39170294)
^*Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.39170294)

作者单位：中国医科大学脑研究所神经生理研究室,沈阳 110001

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1997-12-01收稿　　1998-03-16修回