视前区-下丘脑前部温敏神经元电生理特性的离子通道机制

作者                       作者单位

王念            成都医学院生理教研室,四川 成都 610083

唐瑜            成都医学院生理教研室,四川 成都 610083

沈字玲　        成都医学院生理教研室,四川 成都 610083

视前区-下丘脑前部(POAH)在体温调节的中枢整合中具有重要作用,对体内外温度的改变有生理性和行为性的双重调节反应[1]。当POAH区和外界温度升高时,动物会出现散热反应,如皮肤血管舒张、出汗、喘息等;当POAH区和外界温度下降时,动物则出现热保留以及产热反应,如皮肤血管收缩、棕色脂肪组织产热、战栗等。电生理研究对POAH的温度调节反应作出了解释,即在POAH存在着可以感受自身温度与外周温度变化的温度敏感神经元,它们在感受温度变化后,通过调节温度效应神经元的活动实现散热或产热的调节反应。多年来学者一直在致力于研究POAH温度敏感神经元的电生理特性及其离子通道机制,本文对这方面的研究进展作一综述。

1 POAH神经元分类

在POAH区分布着具有自发放电特性的神经元和刺激后才产生放电的静息神经元。根据神经元的放电频率与温度变化的关系,可以进一步把自发放电神经元群细分为3类。其中约20%的神经元放电频率随温度上升而增加,其热系数≥0.8 imp /S.℃,称为热敏神经元;约少于5%的神经元放电频率随温度下降而增加,其热系数≤0.6 imp /S.℃,称为冷敏神经元;剩下约70%的自发放电神经元群放电频率不受温度改变的影响,称为温度不敏感类型。

近年的研究发现温度敏感神经元和不敏感神经元之间还存在着形态学的差异[2]。温度敏感神经元由于接受来自外周传入的温度信息,其神经元轴突走向垂直于第三脑室,向外周延伸;而温度不敏感神经元不接受外周传入的温度信息,其神经元轴突走向平行于第三脑室。温度敏感神经元的形态学特征也是分型的重要依据。

2 POAH神经元的电生理特性

Wagner等[3]对POAH神经元固有放电特征进行观察发现:(1)70%的POAH神经元存在超极化激活的阳离子电流(hyperpolarizationactivated cation current,Ih),而这一电流在POAH自发放电神经元中的比率高达87%.Ih电流是在给超级化电压时神经元产生的一种缓慢的门控内向整合阳离子电流,可以被非选择性超极化激活环核苷酸门控阳离子通道阻断剂氯化铯(CsCl)所阻断。Ih电流能使膜电位进一步超级化,是起搏电位形成的基础[46],也参与决定神经元的静息膜特性。(2)51%的POAH神经元表现出和一种瞬时的内向电流(transient inward current,IT)相关的低阈值峰(lowthreshold spike,LTS),这一电流在POAH自发放电神经元中的比率也高达87%.IT电流是一种快速激活并失活的Ca2+电流,它的激活阈值低,激活常数不同于其它的Ca2+电流,可以为T型钙离子通道阻断剂NiCl2阻断。(3)多数的POAH神经元表现出动作电位之后的后超极化(after hyperpolarization,AHP),但是放电的神经元比不放电的神经元表现的AHP更多。AHP由Ca2+依赖的K+电流介导,是一种小电导。通常认为AHP参与决定动作电位的峰频率适应性(spike frequency adaptation),可能与调节POAH神经元的放电频率有关。有研究指出Ih电流对于AHP的产生具有重要意义。(4)在29%的POAH神经元观察到一种快速激活并失活的电流(rapidly activating and inactivating current,IA),这和此区温度敏感神经元的比例非常接近。IA电流是一种瞬时的外向电流,由电压依赖性延迟整流钾通道(voltagedependent delayed rectifier potassium channels)介导,是下一个动作电位之前的前电位(prepotential)形成的电流基础。

一种超级化的刺激可以激活Ih电流,引起内向电流或是去极化的时间依赖性的整流(time dependent rectification,TDR),使膜电位朝着IT电流激活的阈值移动,从而导致瞬时的内向电流和LTS,并进一步去极化膜电位激活电压门控Na+通道,引起一个动作电位的爆发。在每一个动作电位及AHP之后,膜电位去极化激活IA电流,终止进一步的去极化,稳定神经元的静息电位。当IA电流被失活,膜电位逐渐去极化直到达到阈值,形成下一个动作电位。

3 POAH神经元温度敏感性的离子通道机制

3.1 双孔钾通道

双孔钾通道(two pore domain potassium,K2P),包括TREK、TRAAK、TASK等成员,是生理状态下背景钾离子电导的离子通道基础[79],参与形成并维持神经元的静息膜电位,调节细胞对外界理化刺激的兴奋性。K2P钾通道家族成员对温度改变具有敏感性,其中TREK1、TREK2和TRAAK在接近37 ℃时活性最大,随温度下降活性降低。特别是TREK1通道可能是一种冷感受器,在生理温度下通道开放,神经元处于超极化静息状态;当温度下降时通道关闭引起神经元去极化,传递冷信息。最近Boulant等[10]建造了HodgkinHuxley like模型,这一模型研究提示K2P钾通道不同的表达水平能够决定神经元的温度敏感类型,特别是在POAH区高表达的TASK1通道,可能和TREK1、TRAAK通道一起参与决定POAH神经元的不同温度敏感性,即高表达的K2P钾通道或是TREK1/TRAAK与TASK1 通道表达的高比值会使神经元处于更高的超极化状态,从而使神经元的温度敏感性更低。这就提示了一种可能:温度敏感神经元可能低表达或者不表达TRAAK和TASK,而温度不敏感神经元则高表达TRAAK和TASK.

3.2 超级化激活的环核苷酸门控通道

超级化激活的环核苷酸门控(hyperpolarizationactivated cyclic nucleotidegated,HCN)通道是Ih电流产生的离子通道基础。它首先在心脏的窦房结细胞被鉴定出来,随后在外周以及中枢神经元相继被发现。在起搏细胞,Ih电流引起细胞自动去极化产生节律性的活动;而在非起搏细胞,Ih电流参与决定神经元的静息膜特性,限制超级化或是去极化反应的程度,并且调节突触信号传递。Magee等的研究观察到HCN通道产生的Ih电流具有温度敏感性:Ih电流激活以及失活的速度和温度成正相关。温度越高,Ih电流激活和失活越快;温度越低,激活和失活越慢。因此可能是温度对HCN通道开启或是关闭速率的影响,导致了Ih电流激活和失活的速度的改变,从而影响了神经元的放电频率,决定了神经元的温敏类型。此外,Boulant等建造的HodgkinHuxley like模型也提示HCN离子通道的不同表达水平参与决定神经元不同的温度敏感类型,增加HCN通道的表达将增加神经元的放电频率和温度敏感性[10]。他们在后续的电生理研究中证实了这一模型的预测[11],并且认为cGMP可能就是通过激活Ih电流以及外向的钾离子电流改变POAH神经元的温度敏感性,参与体温调节[12]。

3.3 前电位

POAH区大多数的自发放电神经元在动作电位之前表现出一种小的去极化电位,称为前电位。前电位的产生是由于神经元动作电位之后的自动去极化激活了IA电流,引起瞬时的外向钾离子流,终止了神经元的自动去极化。Boulant等的研究认为POAH神经元的前电位是决定神经元温度敏感性的一个关键原因。因为前电位去极化的速率决定神经元的放电频率,而这一去极化的行为具有温度敏感性[13],并且在温度敏感神经元和不敏感神经元之间存在差异。当温度升高,IA电流失活的速率显著增快,神经元前电位去极化的速率增快,使膜电位更快达到阈值,缩短峰峰间隙,从而增加放电频率;但是温度并不改变温度不敏感神经元的前电位去极化速度和放电频率。体内重要体温调节介质PGE2可能就是通过影响神经元前电位期膜电位上升达到阈值的速率影响神经元的温敏性,参与体温调节[14]。

3.4 瞬时感受器电位通道

最近的研究认为POAH神经元的温度敏感性也可能是由于瞬时感受器电位(transient receptor potential,TRP)通道的作用[1516]。TRP家族成员能识别26～56 ℃之间的温度,这与生理状态下机体所能感知的温度范围一致。不同的TRP家族成员感受不同的阈温度刺激,高于感知阈值的温度可以激活并开启TRP通道,使背根神经节神经元去极化,提高动作电位的频率和温度敏感性[17]。然而TRP通道也不能完全解释神经元温度敏感性存在的原因,例如重复的热刺激可以使TRPV3通道敏化和使TRPV4通道脱敏化[16],而POAH的温度敏感神经元在重复热刺激后并不表现出敏化和脱敏现象。此外,TRPV的阻断剂钌红(ruthenium red)并不能减少POAH神经元的放电频率和膜电位的温度敏感性[18]。对此,Boulant等[19]认为TRP通道更重要的温度敏感性机制可能在于温度的改变激活了一种允许钙离子通过的非选择性的阳离子通道,导致了膜电位去极化。

3.5 其它

Tabarean等[20]观察到加热可以使培养的小鼠POAH神经元去极化,而这一过程是钠离子依赖性的。而Shigeo Kobayashi等[17]的研究也认为神经元的温度敏感性是由于热诱导的静息膜电位的去极化,其离子基础是一种内向的非选择性的阳离子电流。但是Boulant等[21]认为去极化并不是决定神经元温度敏感性的机制。前面二者的研究存在诸如酶解或者机械分离损伤了神经元细胞、电极内液没有补充ATP等技术局限性,另外也可能是实验的诱导条件,如给予某种维持电流人为地造成了热诱导神经元去极化的假象,结果并不可取。

除上述提到的4种温度敏感神经元的共有离子通道机制外,有学者认为冷敏神经元还具有特定的温度敏感性机制。冷敏神经元的温度敏感性可能与Na+K+ ATP泵的活性受抑制,背景钾离子通道受抑制[22],以及冷刺激对电压门控钠离子和钾离子电导的不同效应有关。此外,最重要的机制可能是冷刺激开启了钙离子通道,增加钙离子的内流[23]。这种电流只能在冷敏神经元中观察到,在对冷刺激无反应的神经元中没有发现;同时具有经典冷受体的功能特征。

4 展望

对POAH神经元电生理特性,特别是对温度敏感性的离子通道机制的研究在分子生物学、生物信息学、电生理等多学科联合之后获得了可喜的突破。未来在阐明POAH神经元温敏性时,需要考虑前面提到的数种离子通道的调节作用,即需要通过鉴定离子通道的类型、分布以及组合方式等来判断神经元的温敏特性,并且采用电生理技术进一步验证[24]。随着新的研究工具的采纳以及研究学科的深入交叉,体温调节神经生理研究的领域将进一步被拓展,获得更丰硕的成果。

致谢:感谢杨永录教授对此稿的审阅。

【参考文献】

[1] Griffin JD.Central thermosensitivity and the integrative responses of hypothalamic neurons[J].J Therm Biol,2004,29:327331.

[2] Griffin JD,Saper CB,Boulant JA.Synaptic and morphological characteristics of temperaturesensitive and insensitive rat hypothalamic neurones[J].J Physiol,2001,537:521535.

[3] Wagner EJ,ReyesVazquez C,Ronnekleiv OK,et al.The role of intrinsic and agonistactivated conductances in determining the firing patterns of preoptic area neurons in the guinea pig[J].Brain Res,2000,879(12):2941.

[4] Robinson RB,Siegelbaum SA.Hyperpolarizationactivated cation currents:from molecules to physiological function[J].Annu Rev Physiol,2003,65:453480.

[5] Monteggia LM,Eisch AJ,Tang MD,et al.Cloning and localization of the hyperpolarizationactivated cyclic nucleotidegated channel family in rat brain[J].Brain Res Mol Brain Res,2000,81(12):129139.

[6] Santoro B,Chen S,Luthi A,et al.Molecular and functional heterogeneity of hyperpolarizationactivated pacemaker channels in the mouse CNS[J].J Neurosci,2000,20(14):52645275.

[7] Han J,Gnatenco C,Sladek CD,et al.Background and tandempore potassium channels in magnocellular neurosecretory cells of the rat supraoptic nucleus[J].J Physiol,2003,546:625639.

[8] Kang D,Choe C,Kim D.Thermosensitivity of the twopore domain K+ channels TREK2 and TRAAK[J].J Physiol,2005,564:103116.

[9] Patel AJ,Honore E.Properties and modulation of mammalian 2P domain K+ channels[J].Trends Neurosci,2001,24(6):339346.

[10] Wechselberger M,Wright CL,Bishop GA,et al.Ionic channels and conductancebased models for hypothalamic neuronal thermosensitivity[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2006,291(3):R518529.

[11] Unger NT,Kaple ML,Bishop GA,et al.Role of hyperpolarizationactivated currents in hypothalamic neuronal thermosensitivity[J].The FASEB Journal,2007,21:923929.

[12] Wright CL,Burgoon PW,Bishop GA,et al.Cyclic GMP alters the firing rate and thermosensitivity of hypothalamic neurons[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2008,294(5):17041715.

[13] Zhao Y,Boulant JA.Temperature effects on neuronal membrane potentials and inward currents in rat hypothalamic tissue slices[J].J Physiol,2005,564:245257.

[14] Ranels HJ,Griffin JD.Effects of prostaglandin E2 on the electrical properties of thermally classified neurons in the ventromedial preoptic area of the rat hypothalamus[J].BMC Neurosci,2005,6:14.

[15] Guler AD,Lee H,Iida T,et al.Heatevoked activation of the ion channel,TRPV4[J].J Neurosci,2002,22(15):64086414.

[16] Benham CD,Gunthorpe MJ,Davis JB.TRPV channels as temperature sensors[J].Cell Calcium,2003,33(56):479487.

[17] Kobayashi S,Hori A,Matsumura K,et al.Point:Heatinduced membrane depolarization of hypothalamic neurons:a putative mechanism of central thermosensitivity[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2006,290(5):14791480.

[18] Unger NT,Kaple ML,Boulant JA.TRPV blockade by ruthenium red does not suppress thermosensitivity in hypothalamic neurons[J].The FASEB Journal,2008,22:956.15.

[19] SharifNaeini R,Ciura S,Bourque CW.TRPV1 gene required for thermosensory transduction and anticipatory secretion from vasopressin neurons during hyperthermia[J].Neuron,2008,58(2):179185.

[20] Tabarean IV,Conti B,Behrens M,et al.Electrophysiological properties and thermosensitivity of mouse preoptic and anterior hypothalamic neurons in culture[J].Neuroscience,2005,135(2):433449.

[21] Boulant JA.Counterpoint:Heatinduced membrane depolarization of hypothalamic neurons:an unlikely mechanism of central thermosensitivity[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2006,290(5):14811484.

[22] Reid G,Flonta M.Cold transduction by inhibition of a background potassium conductance in rat primary sensory neurones[J].Neurosci Lett,2001,297(3):171174.

[23] McKemy DD,Neuhausser WM,Julius D.Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation[J].Nature,2002,416(6876):5258.

[24] Simon E.Ion channel proteins in neuronal temperature transduction:from inferences to testable theories of deepbody thermosensitivity[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2006,291(3):515517.