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中枢组胺能和中枢orexin能神经系统都是特异地定位于下丘脑,并广泛地支配几乎全脑的神经递质/调质系统。它们有一些相似之处,例如：①神经元胞体都位于下丘脑,组胺能神经元定位于下丘脑结节乳头核(tuberomammillarynucleus of hypothalamus,TMN),而orexin能神经元定位于下丘脑穹隆周区(perifornical area,PFA)和下丘脑外侧区(leteral hypothalamic area,LHA)；②它们的传出纤维都广泛地支配了几乎所有脑区,且都以曲张体的方式与靶细胞发生联系和释放递质；③它们的受体在中枢神经系统中分布广泛,且都为促代谢型受体。先前的一些研究已经证实,中枢组胺能或中枢orexin能神经系统的缺陷会使人及动物产生某些疾病或引发某些行为的异常,这些行为的异常中包括运动功能受到影响。同时,整体施加组胺或orexins均能引发实验动物的行为和运动功能的改变。这些事实提示了这两类神经递质/调质系统对运动功能的影响。小脑以及前庭核团都是重要的皮层下运动结构,在调节躯体平衡和运动中起重要的作用。先前的研究揭示了小脑和前庭核团均接受下丘脑发出的组胺能和orexin能神经纤维支配,同时组胺受体与orexin受体在小脑和前庭核团中均有表达。因此,在此基础上,本文着眼于中枢组胺能和中枢orexin能神经系统对这两个皮层下运动结构神经元活动的具体影响和机制,采用电生理学方法进行了深入研究。
㈠中枢组胺能神经系统对小脑核团神经元活动的影响。起源于TMN的中枢组胺能神经系统广泛地支配了几乎所有脑区。我们实验室以及其他研究组先前的研究工作已经揭示,中枢组胺能神经系统能够调节一些皮层下运动结构神经元的活动和动物的运动功能,包括运动的平衡和协调能力。中枢组胺能神经系统的这一功能是通过直接激活包括小脑、基底神经节、红核等在内的皮层下运动中枢神经元活动来实现的。然而,之前的研究工作也存在着不足,即组胺作用于各中枢运动结构神经元及神经环路的具体机制仍不太清楚。小脑是最大的皮层下运动结构,它调控正在进行着的运动,确保运动执行过程中空间和时间的准确性。小脑核团(项核、间位核和齿状核)则是小脑(除绒球小结叶外)唯一的传出,它们在小脑运动调控功能中的重要性不言而喻。我们实验室先前的细胞外电生理记录研究工作已经揭示了组胺对大鼠小脑间位核和顶核神经元的兴奋性作用,然而小脑核团内部环路由两类神经元——投射神经元和中间神经元构成,而细胞外电生理记录不能分辨出具体的神经元类型。因此,在我的研究工作中,通过使用离体脑片全细胞膜片钳技术,在甄别出这两类神经元的基础上,重点分析了组胺对它们分别的作用。我的研究工作和研究结果包括：⑴使用形态学和电生理学指标结合的方法,成功地区分出小脑核团中的投射神经元和中间神经元。⑵组胺选择性兴奋小脑核团投射神经元,但对中间神经元没有作用。⑶组胺在小脑核团投射神经元上诱发的兴奋性反应是通过突触后组胺H2受体的直接作用介导的。⑷组胺激活小脑核团投射神经元上组胺H2受体后,通过激活超极化激活的阳离子通道而兴奋投射神经元,但不影响投射神经元膜上小电导的钙激活钾离子通道的活动。这部分结果提示,下丘脑-小脑组胺能神经纤维可能通过对小脑核团投射神经元的直接兴奋性作用而参与小脑神经环路介导的感觉-运动整合。考虑到在小脑核团中组胺能神经纤维通过曲张体的方式弥散性地释放神经递质,组胺能神经纤维可能并不传递直接的感觉信息进入小脑,而是通过改变小脑核团投射神经元的兴奋性而调节了它们对各种输入的反应性,并最终实现了对运动调控功能的调节。同时,结合小脑的运动调控功能主要在于调控正在进行着的运动,上述结果提示,下丘脑-小脑组胺能投射是通过直接作用于小脑核团的最终传出神经元——小脑核团投射神经元这种快速和直接的方式,来参与调制经小脑神经环路介导的感觉-运动整合过程的,而不是通过作用于中间神经元后,再影响小脑核团局部神经环路的间接和延迟的方式而进行这一过程的。
㈡中枢组胺能神经系统对前庭外侧核神经元活动的影响。临床上使用抗组胺药物来治疗眩晕症(vertigo)和运动病(motion sickness)已有很长的历史。尽管最初对抗组胺药物治疗机理的研究主要集中在其对外周前庭系统(如内耳迷路)的作用上,近年来形成的组胺作为一种中枢神经系统递质/调质的概念却为这方面的研究提供了新的思路。事实上,中枢前庭系统(脑干前庭核复合体)在身体的平衡和姿势控制上发挥重要的调控作用,而它自己很可能也是抗组胺药物治疗平衡功能紊乱的中枢作用靶点。在前庭核团的四个主核中,前庭外侧核(lateral vestibular nucleus,LVN)的主要功能则在于通过整合处理身体的线性加速和重力改变信息,调节前庭-脊髓反射以及身体的姿势控制。目前关于前庭核团中的组胺能神经传递的研究几乎全部集中在前庭内侧核(medial vestibular nucleus,MVN)而忽略了LVN。因此,在本研究中,我们利用离体脑片全细胞膜片钳技术探讨了组胺对LVN神经元的影响。结果表明,组胺对LVN中具有自发发放和无自发发放的神经元均有剂量依赖的兴奋性作用。同时,电压钳制实验揭示组胺在LVN神经元上引发一个稳定的内向全细胞电流,用TTX实阻断突触传递并不能阻断组胺诱发的LVN神经元膜电位去极化,这两个实验的结果表明组胺引起的兴奋是一个直接的突触后效应。进一步的受体机制研究表明,高选择性组胺H2受体阻断剂ranitidine而非高选择性组胺H1受体阻断剂triprolidine能够有效地阻断组胺对LVN神经元上的兴奋作用。同时,高选择性组胺H2受体激动剂dimaprit能够模拟组胺对LVN神经元的兴奋性效应,而高选择性组胺H1受体激动剂2-pyridylethylamine则不能。以上所述的实验结果表明组胺通过激活LVN上的突触后组胺H2受体而兴奋LVN神经元。结合先前Wang和Dutia(1995)关于组胺兴奋MVN神经元的发现,上述结果提示,中枢组胺能神经系统能够通过对LVN和MVN直接的支配而改变前庭核团神经元的活动和实现对各种前庭反射、前庭功能的调控,并且这些前庭反射和功能可能不仅仅包括了躯体(运动)方面的,也包括非躯体(内脏)方面的。考虑到下丘脑是内脏功能的基本活动中枢,我们推测由下丘脑发出到达前庭核团的组胺能纤维投射可能连接了躯体的内脏和运动系统,并在前庭系统介导的躯体平衡和姿势控制过程中发挥躯体-内脏反应整合的重要功能。
㈢中枢orexin能神经系统对前庭外侧核神经元活动的影响。两方面的研究工作指出中枢orexin能神经系统对运动功能存在调控作用。一方面,当人和动物处于觉醒期时,orexins的释放会随着运动活动的增强而显著增加,而在处于安静警觉觉醒期时orexins的释放量则相对较低。另一方面,在脑室和多个脑区注射orexins的动物实验表明,orexins能够调控动物的自发运动活动、行走(locomotion)行为和肌肉张力。然而,在中枢orexin能神经系统调节运动功能的研究中,目前还较为缺乏其对各具体运动脑区神经元活动影响的研究。脑干中的前庭核团是皮层下一个重要运动结构,它在躯体的平衡和姿势调控中起重要的作用。前庭核团四个主核之一的前庭外侧核(lateral vestibularnucleus,LVN)的主要功能则在于通过整合处理身体的线性加速和重力改变信息,调节前庭脊反射以及身体的姿势控制。本研究使用离体脑片全细胞膜片钳技术对orexin A和orexin B对LVN神经元的影响进行了研究。结果显示,orexin A在LVN神经元上诱发出剂量依赖的内向全细胞电流,引起神经元的兴奋性反应。同时,TTX不能阻断orexin A诱发的内向电流,表明该兴奋性反应是一个直接的突触后效应。更进一步的,对orexin A引起效应的受体机制研究显示:①相同剂量的orexin A和orexin B在同一LVN神经元上引发的内向电流并不一致;②选择性OX2R激动剂[Ala11,D-Leu15]-orexin B能够模拟orexin A在LVN神经元上诱发的兴奋反应;③选择性OX1R阻断剂SB334867只能部分阻断orexin A引发的内向电流;表明orexin A在LVN神经元上诱发的兴奋反应是通过突触后OX1R和OX2R共同介导的。最后,对orexinA引起的内向电流的离子通道/离子转运体机制研究及阻断实验表明,Na+-Ca2+交换体阻断剂KB-R7943能够部分阻断orexin A引起的内向电流,而KB-R7943与广谱K+通道阻断剂Ba2+一起几乎完全阻断了orexin A引起的内向电流,这些结果说明orexin A在LVN神经元上引起的内向电流是通过激活Na+-Ca2+交换体和阻断K+通道(内向整流型)两种机制而实现的。上述结果提示,通过对LVN神经元的兴奋性支配,中枢orexin能神经系统可能通过改变LVN神经元的活动从而实现对LVN重要的躯体运动功能----前庭-脊髓反射的调控,并参与对身体平衡和姿势控制的调节。由于下丘脑是内脏功能的基本活动中枢,我们推测由下丘脑发出到达前庭核团的orexin能神经纤维投射可能连接了躯体的内脏和运动系统,并在LVN介导的躯体平衡和姿势控制过程中发挥发挥躯体-内脏反应整合的重要功能。