延髓头端腹外侧区神经元电活动
与心血管活动相干性的研究^*?

沈霖霖　彭应杰　吴国强^#　曹银祥　李　鹏

摘　要　　本文分析了大鼠延髓头端腹外侧区(RVLM)神经元单位电活动与心血管活动的相干性, 观察了RVLM区神经元电活动对电刺激中脑防御反应区的诱发反应, 以及对压力感受性反射的反应。 并用FFT对RVLM区神经元自发单位放电和血压波进行频域的相干性分析, 以判断是否具有心节律。 还分析了RVLM区单位放电变异性与心率变异性的相干性。 结果显示: RVLM区大多数神经元对电刺激中脑防御反应区呈兴奋反应(67%), 70％神经元放电活动被注射苯肾上腺素而升高的动脉血压强烈抑制, 具有心节律的神经元占64％, 50％神经元放电变异性与心率变异性的高频呈良好的相关。 神经元电活动的频谱分析为深入研究心血管自主神经系统功能提供了一种新方法。
关键词: 神经元电活动; 动脉血压; 延髓头端腹外侧区; 心率变异性; 相干分析
学科分类号: Q424

THE COHERENCE ANALYSIS BETWEEN NEURONAL
DISCHARGE IN THE ROSTRAL VENTROLATERAL MEDULLA
AND THE CARDIOVASCULAR ACTIVITY IN RATS^*

SHEN　LIN-LIN，　PENG　YING-JIE，　WU　GUO-QIANG^*　*
CAO　YIN-XIANG，　LI　PENG
(Department of Physiology and ^*　*Department of Biomedical Engineering,
Shanghai Medical University, Shanghai 200032)

ABSTRACT

To analyze the coherence between neuronal discharges (ND) in the rostral ventro～lateral medulla (RVLM) and the cardiovascular activity, we observed the neuronal discharge in RVLM responding to electric stimulation of the defense area of the mid-brain. Fast Fourier transform (FFT) was performed to analyze the coherence between the signals of ND and blood pressure to determine if the ND were cardiac rhythmic. The coherence between ND variability (NDV) and heart rate variability (HRV) was also analyzed. The results showed: (1) majority of the neurons (67%) were excited responding to electric stimulation in the defense area of the mid-brain; (2) the electric activity of about 70% of the neurons were substantially inhibited by administration of phenylephrine; (3) 64% of the neurons were actively synchronous with cardiac cycle; and (4) significant coherence between NDV and HRV in HF component was shown in a half of the neurons (50%). The coherence analysis thus provides a new tool to investigate the regulation of the autonomic nervous system.
Key words: neuronal activity; arterial blood pressure; rostral ventrolateral medulla; heart rate variability; coherence analysis

　　延髓头端腹外侧区(RVLM)是机体内一个重要的心血管交感活动整合中枢^[1], 包括延髓腹侧的旁巨细胞外侧核(PGL)在内的RVLM区在维持正常血压中起很重要的作用^[2], 它也参与应激紧张导致血压升高, 且是刺激下丘脑和中脑防御反应区引起防御性升压反应的主要传出通路接替站^[3,4]。 因而研究者常以神经元电活动是否具有心节律和对升压反应的敏感性等, 作为判断RVLM区心血管神经元的主要依据^[5]。 传统上对生理信号分析的主要方法为观察信号振幅随时间(在时域上)的变化情况, 而较少采用以生理信号中频率成分(在频域上)改变为指标的方法。 本文在进行中脑背侧中央灰质(dPAG)电刺激, 和静脉注射苯肾上腺素, 观察对RVLM区神经元电活动的影响后, 应用频域相干分析法对RVLM区神经元自发单位放电和血压波进行研究, 以这一简便的方法给出定量的标准来判断RVLM区神经元放电是否具有心节律。
　　心率变异性(heart rate variability, HRV)的频谱分析由于能无创伤地反映自主神经系统的功能而引起了生理学界和临床的日益关注^[6～8]。 Malliani^[9]认为HRV反映交感-迷走平衡, 中枢神经系统的整合作用是其中的首要因素。 本文利用相干分析法, 对同时记录的RVLM的神经元放电变异性(neuronal discharge variability, NDV)和HRV信号进行谱分析, 初步探讨HRV的中枢机制。

1　材料和方法
　　正常Sprague-Dawley大鼠 (n=10, 体重250～350 g)。 用氨基甲酸乙酯 (700 mg/kg) 和α-氯醛糖(35 mg/kg)混合剂腹腔麻醉, 行气管插管术, 自主呼吸。 肛温保持在37℃左右。 股动脉或尾动脉插管。 分离一侧颈外静脉颌下支并插管以备注射苯肾上腺素之用。 将胸廓运动通过张力换能器(TB-611T, Nihon Kohden, Japan)和动脉血压信号、 Ⅱ导心电信号同时输入八道生理记录仪(RM-6000, Nihon Kohden, Japan)。 动物取俯卧位, 头部固定在立体定向仪上。 暴露前后囟, 根据Paxions和Watson氏图谱^[10], 将一直径为0.1 mm的单极不锈钢刺激电极插至dPAG处, 用串方波(50～100 μA, 100 Hz, 0.2 ms, 串长3 s)阴极刺激; 得到伴有血压明显升高(4 kPa以上), 并伴有心率加快、 呼吸加深加快、 竖毛和瞳孔散大等一系列防御反应的表现后, 用502胶水和牙托粉将电极固定在颅骨上。 然后将鼠头前下倾斜约45°, 暴露小脑和闩部, 将尖端直径<1 μm的单管玻璃微电极(内充以2％滂胺天蓝和0.5 mol/L醋酸钠溶液, 直流阻抗在5～15 mΩ之间)参照图谱^[10]和文献^[11]垂直插入包括PGL的RVLM区(闩前1.2～2.5 mm, 旁开1.2～2.0 mm, 深度6.5～7.0 mm), 引导单位放电。 电信号经微电极放大器放大和滤波后, 与心电信号、 血压波信号同步输入“生物信号处理系统Model SMUP-PC”(上海医科大学生理学教研室研制), 实时进行谱分析(图1)。

图　1　心电、 血压和RVLM区神经元单位放电同步记录

Fig.1　Synchronous records of electrocardiogram (ECG), arterial blood pressure (BP) and neuronal discharges (ND) in RVLM
Left trace, ECG; middle trace, BP; right trace, ND.

　　用波宽0.2 ms、 频率1 Hz、 电流100～150 μA的双脉冲刺激中脑防御反应区, 对RVLM区神经元单位放电作刺激后时间直方图(迭加100次), 判断是否与防御反应相关。
　　用计算机对单位放电进行直方图分析(1 s/bin), 经D/A转换后输入生理记录仪与血压进行同步记录。 静脉注射苯肾上腺素(0.5 μg/kg)引起升压反应, 观察神经元是否具有压力敏感性。
　　用教研室编制的软件“Spectrum & Correlation & Coherence”, 以心电同步触发单位放电(ND)和血压波(BP), 进行平均迭加(5 ms/bin, 100～300 次), 然后计算两信号的自谱(auto-spectrum)、 互谱(cross-spectrum)和相干函数(coherence function)。 所计算数据交迭分段, 加矩形窗, 求取每段的快速傅立叶变换(fast Fourier transform, FFT), 最后进行平均求得功率谱密度函数。
　　自功率谱表达式为: G_xx(f)=S_x(f)^．S_x(F)^*, 　G_yy(f)=S_y(f)^．S_y(F)^*;
　　互功率谱表达式为: G_xy(f)=S_y(f)^．S_x(F)^*;
　　相干函数表达式为:

　　对原始的心电信号采样(采样频率为1 000 Hz), 通过检测R波的最大值得到连续256个R-R间隔序列, 同时根据每一心动周期计算神经元单位放电数, 即神经元单位放电变异性(NDV)。 然后和HRV同时进行谱分析, 根据互谱出现的谱峰计算其相干值, 分析与HRV的相关性。 本实验中, 如果相干系数k²≥0.8, 则认为两信号在该频率处相关程度高。 实验后向记录电极通以60 μA阴极电流1 min, 以泳出滂胺天蓝, 作脑组织冰冻切片, 中性红染色, 鉴定记录部位。 所有数据用±s表示。 组间差别用t检验或用Mann-Whitney检验。 P<0.05被认为差别有显著性意义。

2　结果
　　共记录到30个单位的神经元电活动, 这些神经元分布于延髓腹侧的旁巨细胞外侧核或头端腹外侧网状核。
2.1　RVLM区单位电活动对电刺激dPAG的反应
　　30个被观察的单位电活动中, 其中20个单位对电刺激dPAG有顺行兴奋反应, 为防御反应相关神经元。 2个单位被抑制, 8个单位无明显反应(表1)。 图2显示了1例RVLM区神经元单位电活动对电刺激dPAG的兴奋反应。

图　2　　刺激dPAG时RVLM区单位电活动的反应

Fig.2　Response of unit activity in RVLM to stimulation of dPAG

　表　1　RVLM区神经元对电刺激dPAG和苯肾上腺素升压的反应
　Table 1　Responses of neurons in RVLM to stimulation of dPAG and pressor of phenylephrine

	dPAG	PE (dPAGEX)
EX	20 (67%)	1 (10%)
INH	2 (7%)	7 (70%)
NE	8 (26%)	2 (20%)
n	30	10

　dPAG: dorsal periaqueductal gray; PE: phenylephrine; EX: excitation; INH: inhibition; NE: no effect; n: total number of neurons tested.

2.2　RVLM区单位电活动的压力敏感性检验
　　对RVLM区防御反应相关神经元中10个单位进行压力敏感性检验, 其中7个单位的电活动能被静脉注射苯肾上腺素升高血压强烈抑制, 我们认为这些神经元具有压力敏感性, 1个单位被兴奋, 2个单位无反应(表1)。 图3为1例具有压力敏感性的电活动反应。

图　3　　动脉血压改变对单位电活动的影响

Fig.3 　Effect of change in arterialblood pressure on unit activityArterial pressure (AP) was elevated by an iv injection ofphenylephrine (0.5 μg/kg).

2.3　RVLM区神经元单位放电与血压波的相干性分析
　　对28个RVLM区单位电活动与血压波同步进行谱分析(所记录到的30个单位中2个单位因数据过短, 不能进行谱分析而略去)。 结果显示, ND与BP基频的相干值k²=0.817±0.184, 将相干系数k²≥0.80定义为具有心节律, 共有18个单位, 其中15个单位为防御反应相关神经元, 7个具有压力敏感性的单位中有6个具有心节律。 图4显示了1例具有心节律的神经元电活动与血压波的谱分析。 两者的基频均为7.03 Hz(即当时心跳为420 次/min), 该频率相干系数k²=0.98。 其余10个单位的k²<0.80定义为不具有心节律(表2)。

图　4　血压和RVLM区神经元放电的谱分析

Fig.4　Spectral analysis of blood pressure and neuronal discharge in RVLM

A. ECG-triggered averaging BP signal (5 ms/bin, 100 sweeps). B. Triggered averaging neuronal discharge in RVLM. C. Auto-spectrum of BP. D. Auto-spectrum of ND. E. Cross-spectrum. F. Coherence. From A and B, neuronal discharge is phasically linked to the cardiac cycle. The relationship of the two signals in frequency domain can be shown in cross-spectrum and coherence k²=0.98 in basic frequency.
2.4　RVLM区神经元放电变异性和心率变异性的相干性分析
　　对28个RVLM区神经元电活动又进行NDV和HRV同步分析, 根据互谱上出现的谱峰计算其相干值。 结果显示NDV与HRV的高频成分的相干系数为k²=0.779±0.131, 将k²≥0.80视为两信号具有良好的相干性。 共有14个单位k²≥0.80 (表2), 其中7个单位具有心节律, 7个单位不具有心节律。 图5显示了1例NDV与HRV的谱分析。

图　5　心率变异性和RVLM区神经元放电变异性的谱分析

Fig.5　Spectral analysis of HRV and NDV in RVLM

A. Time series of R-R interval. B. Time series of NDV. C. Auto-spectrum of HRV. D. Auto-spectrum of NDV. E. Cross-spectrum. F. Coherence. The close correlation between HRV and NDV was observed in cross-spectrum and coherence k²=0.85 in high frequency of HRV (about 0.16 cycle/beat).

表 2　RVLM区ND与BP, NDV与HRV的相干性分析

Table 2　Coherences between ND and BP, and between NDV and HRV

	k^2	k^2≥0.80	k^2<0.80
ND-BPBF	0.817±0.184 (n=28)	0.927±0.060 (n=18)	0.618±0.163 (n=10)^****
NDV-HRVHF	0.779±0.131 (n=28)	0.884±0.051 (n=14)	0.675±0.098 (n=14)^****

ND: neuronal discharge; BP: arterial blood pressure; BF: basic frequency in spectrum; NDV: neuronal discharge variability; HRV: heart rate variability; HF: high frequency in spectrum. ^{*　*　*　*}　P<0.0001.

3　讨论
　　RVLM区接受并整合外周多种感受器以及中枢其他核团的传入信息, 并将其传至脊髓中间外侧柱, 在中介各心血管反射活动中起重要作用。 谱分析是将含有不同频率的各种正弦波组成的信号进行分解, 功率谱反映了作为频率的函数每个正弦波的幅度的平方。 通过两信号频域上是否相干分析两者的内在联系^[12]。 本文在电刺激dPAG和升高动脉血压, 观察RVLM区神经元电活动改变的基础上, 利用频域相干分析法, 对RVLM区神经元自发电活动和血压信号进行谱分析。 结果提示RVLM区64％的神经元电活动具有心节律。 所观察的28个单位已排除与呼吸节律同步的电活动。 我们以往的实验提示, 在RVLM区具有与呼吸节律同步的神经元放电与血压信号的相干性差^[13]。 在18个具有心节律的单位中, 其中有7个单位从时间直方图上并不能显示出具有心节律, 但是它们与血压信号的相干系数都大于0.80, 占18个具有心节律单位的39％。 频谱分析法改变了以往只能从外形上观察神经元电活动与血压波有否相似节律的局限。 神经元的活动中, 可能有多种频率的节律混叠在一起, 从时域上无法作出判断, 而频谱分析则可以给出一个客观定量的指标。
　　利用相干分析法, 对同时记录的RVLM区NDV和HRV进行谱分析。 在NDV自谱上显示出与HRV谱相应的谱峰, 以高频峰最为明显, 极低频和低频成分的分量较小(如图5), 故本文只分析NDV与HRV频谱中高频的相干性。 在28个单位中, 有14个单位与HRV的高频成分的相干系数k²≥0.80。 HRV的高频峰的中心频率为呼吸频率与心率的比值, 因此其高频成分反映了人体内呼吸与循环的耦合^[14]。 NDV的频谱上出现与HRV的高频成分良好的相干性, 可能反映了这些神经元既接收来自呼吸的信号, 又接受来自压力感受器的传入信号, 进行整合后表现出与HRV相干的信息。 在10个不具有心节律的单位中, 7个单位的NDV与HRV高频的相干性k²≥0.80, 这些神经元从传统意义上来说不具有心节律, 因而以往认为不是心血管神经元。 本实验中, 它们与HRV的高频成分显示了良好的相关性, 提示在RVLM区可能存在整合性神经元电活动, 它们与HRV的调节有关。 Montano等报道了在去大脑猫上RVLM区25个单位放电与动脉收缩压(SAP)变异性的谱分析, 显示了15个单位具有与收缩压变异性相同的高频成分^[15]。 RVLM区神经元的这种电活动, 可能反映了经整合后与心率变异性和血压变异性调节有关的电活动。 以上研究结果显示, RVLM区的确是一整合中枢, 因为它的神经元电活动具有多样性和复杂性。 而神经元电活动的频谱分析, 可提供目前尚无法从神经元电活动时域信号中提取的信息, 为进一步深入研究心血管自主神经系统的功能提供了一种新方法。

^*国家自然科学基金资助项目 (No.39570182, 39570272)
^*Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.39570182 and 39570272)

作者单位:沈霖霖　彭应杰　吴国强^#　曹银祥　李　鹏　上海医科大学生理学教研室、 ^#生物医学工程教研室, 上海 200032

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1998-01-25收稿　　1998-03-24修回