概述脊髓運動控制系統(tǒng)的研究方法及結(jié)果

程　藝，戴　躍

概述脊髓運動控制系統(tǒng)的研究方法及結(jié)果

程藝，戴躍

華東師范大學(xué)，上海200241

摘要：行進(jìn)運動(locomotion)是人和動物的一種基本運動形式如：行走、游泳、飛翔等，行進(jìn)運動的特點是肢體重復(fù)單一動作并產(chǎn)生位移。控制行進(jìn)運動節(jié)律、模式和協(xié)調(diào)肢體運動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)稱為中樞模式發(fā)生器(central pattern generators /CPG)。對鰻魚和蝌蚪的CPG研究中，已經(jīng)證實了CPG的一些基本功能，但有關(guān)于哺乳動物CPG在行進(jìn)運動中的作用機(jī)制目前尚不清楚。本文就近20年有關(guān)于CPG研究的方法和內(nèi)容進(jìn)行簡要概述，有利于今后對哺乳動物CPG的進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：行進(jìn)運動；中樞模式發(fā)生器(CPG)；脊髓；神經(jīng)元

前言

支配脊椎動物后肢或下肢運動的CPG位于脊髓的胸腰段，脊髓橫截面的lamineaVI-IX區(qū)域[1]。其中運動神經(jīng)元位于laminea IX，在行進(jìn)運動中運動神經(jīng)元接受來自CPG其他中間神經(jīng)元的調(diào)控，起到支配肢體肌肉活動的作用。CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對運動神經(jīng)元起到調(diào)節(jié)作用的脊髓中間神經(jīng)元是研究CPG功能的重點，闡明每一類中間神經(jīng)元的興奮特性以及細(xì)胞形態(tài)有助于我們理解和明確CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在行進(jìn)中發(fā)揮的作用。

在之前的研究中，用于研究CPG中每一類神經(jīng)元的興奮特性以及形態(tài)特征所采用的方法主要有以下四種：1.脊髓反射通路(如IaINs、Ib、倫肖(Renshaw/RC))；2.生理解剖特征(Commissural Internourons/CIN)；3.基因表達(dá)特征(EphA4、Dbx1、En1、Chx10、Hb9)；4.神經(jīng)元活性特征(C-fos expression)。本文就以上四種脊髓運動控制領(lǐng)域的研究的方法進(jìn)行簡要介紹，清楚每一種研究方法有助于在今后的CPG研究中找到更為簡單有效的方法。

1脊髓反射通路

脊髓神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式是反射，從接受刺激直到發(fā)生反應(yīng)的全部神經(jīng)傳導(dǎo)途徑叫做反射弧，包括感受器，傳入神經(jīng)，神經(jīng)中樞，傳出神經(jīng)，效應(yīng)器。脊髓固有反射的神經(jīng)中樞位于脊髓。脊髓反射通路中最為簡單的兩個反射是膝跳反射和屈肌反射。

這些基本的脊髓反射通路有助于研究IaINs、Ib、Renshaw(RC)抑制性的中間神經(jīng)元[2]。通過逆向刺激的方法確定IaINs、Ib、RC神經(jīng)元位于脊髓腹側(cè)，是一類抑制性中間神經(jīng)元，其中RC的興奮性的調(diào)節(jié)最主要來自α運動神經(jīng)元，IaINs的興奮性調(diào)節(jié)主要來自其他的一些中間神經(jīng)元。在行進(jìn)運動過程中運動神經(jīng)元受到其他中間神經(jīng)元的調(diào)控后將興奮性神經(jīng)遞質(zhì)Ach通過突觸傳遞給肌肉的同時，也興奮了RC抑制性中間神經(jīng)元，這一類抑制性的中間神經(jīng)元可以反饋式的抑制運動神經(jīng)元的活性，從而調(diào)節(jié)肢體動作的精確性。研究也發(fā)現(xiàn)IaINs、Ib、RC抑制性中間神經(jīng)元不僅僅可以抑制運動神經(jīng)元也可抑制脊髓的其他中間神經(jīng)元。

2生理解剖特征

CIN是一類將軸突經(jīng)腹側(cè)連合處穿過中線投射到脊髓對側(cè)的中間神經(jīng)元，在行進(jìn)中起到協(xié)調(diào)左右肢的作用[3]。由于其獨特的解剖學(xué)特性，CIN得到了廣泛的研究。在對嚙齒類CPG的研究中發(fā)現(xiàn)CIN主要位于脊髓胸椎T13到腰椎L4的LaminaVI 、VII和VIII。行進(jìn)運動過程中CIN具有調(diào)節(jié)下肢肌肉交替活動的功能。在對鰻魚、貓和新生大鼠的研究中都發(fā)現(xiàn)CIN是產(chǎn)生和協(xié)調(diào)雙邊運動節(jié)律的重要因素。

2.1CIN分類

在新生大鼠脊髓中利用逆向染色標(biāo)記的方法，根據(jù)脊髓中CIN軸突投射的方向不同將其分為四類：1.短距離投射(short-rang intrasegmental，sCIN)；2.上行投射(ascending CIN，aCIN)；3.下行投射(dscending CIN，dCIN)；4.上下雙向投射(adCIN)。(如圖一所示)

圖一　sCIN：短距離投射，突穿過中線后終止在同一層面的

2.2識別CIN的方法

由于CIN獨特的解剖學(xué)特點，識別這一類神經(jīng)元最為常見的方法有逆向染色標(biāo)記法，電極檢測法。逆向染色法的優(yōu)點是能夠直觀的看到CIN所在的位置以及判斷出CIN軸突投射類型，缺點是利用逆向染色標(biāo)記的CIN并不能確定參與到行進(jìn)運動中。電極檢測的優(yōu)點是在脊髓完整的情況下記錄CIN；這樣可以在虛擬運動的狀態(tài)下對CIN進(jìn)行動態(tài)的記錄測量，但是該方法最大的弊端是盲目性強(qiáng)。

3基因表達(dá)特征

轉(zhuǎn)基因的方法在現(xiàn)代的醫(yī)學(xué)和生理學(xué)的研究中已經(jīng)成為一種最為常用且有效的技術(shù)。Jessall[4]實驗室在之前的研究中清楚地闡述了胚胎時期脊髓形成的過程以及不同類細(xì)胞分化的條件，為采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究脊髓神經(jīng)元提供了基礎(chǔ)。脊髓在發(fā)育階段由于腹側(cè)的神經(jīng)元分化形成五個不同類別，包括V0-V3和MN。V0-V3屬于脊髓腹側(cè)中間神經(jīng)元，MN為運動神經(jīng)元。

利用基因敲出的方法發(fā)現(xiàn)，V0中間神經(jīng)元在行進(jìn)運動中并不起到?jīng)Q定的作用[5]。當(dāng)利用基因敲除和急性使這V1神經(jīng)元不表達(dá)時，行進(jìn)運動的速度變小，但是MN所接受的有節(jié)律的抑制作用并沒有消失，因此說明MN的節(jié)律性抑制傳入不是單獨由V1提供。V2神經(jīng)元可分為V2a和V2b兩類中間神經(jīng)元，V2a神經(jīng)元在行進(jìn)中起到協(xié)調(diào)左右肢的作用但并不是唯一來源。對V2b神經(jīng)元的研究發(fā)現(xiàn)包括一些抑制性的中間神經(jīng)元，主要作用是向MN提供抑制性的神經(jīng)傳遞。V3中間神經(jīng)元是一類興奮性中間神經(jīng)元，基因敲除V3后發(fā)現(xiàn)MN的動作電位輸出并沒有受到影響，則說明這一類中間神經(jīng)元不是產(chǎn)生節(jié)律的來源。

4神經(jīng)元活性特征

即早基因(Immediate Early Genes IEGs)被廣泛的應(yīng)用于標(biāo)記中樞神經(jīng)系統(tǒng)中興奮的神經(jīng)元。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時，這些基因可作為一種重要信號傳導(dǎo)迅速的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)IEGs可作為標(biāo)記神經(jīng)元受到刺激產(chǎn)生興奮的一個標(biāo)記基因。對于脊髓運動控制的研究，我們最為關(guān)注的是IEGs中的C-fos基因[6]。

C-fos作為細(xì)胞興奮性標(biāo)記物質(zhì)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到證實，在研究脊髓運動控制系統(tǒng)中C-fos也得到了廣泛的應(yīng)用。利用轉(zhuǎn)基因手段在C-fos的基因序列上插入一個熒光蛋白基因形成融合基因，使得在細(xì)胞興奮表達(dá)C-fos的同時表現(xiàn)出熒光。該方法在研究CPG方面較其他方法有很大的進(jìn)步，實現(xiàn)了對CPG神經(jīng)元的批量研究，并為研究這些神經(jīng)元的藥理性和電生理特性提供了基礎(chǔ)。

總結(jié)

時至今日，研究行進(jìn)運動產(chǎn)生的機(jī)制仍然是脊髓運動控制的研究重點，CPG的研究并沒有清楚地闡明每一類神經(jīng)元在行進(jìn)運動中的具體作用。縱觀CPG的研究方法都存在著各自的優(yōu)缺點，尋找更為有效的方法成為研究CPG中神經(jīng)元特性的重點。今后的研究中可以將以上四種方法綜合使用，例如將生理解剖特征和神經(jīng)元活性特征結(jié)合起來研究CIN或者脊髓反射通路和基因表達(dá)特征結(jié)合起來研究RC等，這些方法有待于在今后的試驗中得以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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Overview on Research Methods and Results of Spinal Motion Control System

Cheng Yi, Dai Yue

Abstract:Locomotor behaviors (such as walking, swimming, or flying) are fundamental motor acts that give animals and humans the ability to move. Locomotor behaviors are characterized as human body repeating a simple action to make displacement. CPGs are neuronal networks controlling rhythm and pattern of locomotors behaviors and coordinating limb activities. Research on lampreys and tadpoles have provided some basic functionality of CPGs. However, the mechanism of CPG in locomotors behaviors in mammals is still unclear. This paper overviews research contents and research methods of CPG in the past two decades to benefit follow-up researches on CPG in mammals.

Key words:locomotion; central pattern generators/CPG; spinal cord; neuron

第一作者簡介：程藝(1988-)，女，河南三門峽人，在讀碩士研究生，研究方向：運動人體科學(xué)。

中圖分類號：G804

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-0256(2016)06-0138-2

doi:10.3969/ j.issn.1005-0256.2016.06.062

East China Normal University, Shanghai 200241, China.