下丘脑与中枢运动结构间相互作用的研究

论文摘要

小脑历来被认为是皮层下重要的运动调节中枢,配合皮层完善躯体运动。然而,有趣的是,近年来的神经解剖学、神经电生理学和行为学研究表明,小脑也参与了对机体非躯体性活动的调节,如对心血管、呼吸、排尿、免疫、学习和认知功能的调节。近十年来神经解剖学研究的一个重要进展,是揭示了小脑与下丘脑之间存在着双向、直接的纤维联系,即小脑-下丘脑投射（cerebellohypothalamic projections）和下丘脑-小脑投射（hypothalamocerebellar projections）,二者构成小脑-下丘脑神经环路。由于下丘脑是调节内脏活动的高级中枢,并与某些行为反应和情绪活动密切相关,因此,我们推测由小脑与下丘脑之间双向、直接的纤维投射所构成的神经环路,很可能为小脑参与非躯体性活动的调节提供了结构基础。虽然神经解剖学研究已经证实了小脑-下丘脑神经环路的存在,但目前对该神经环路确切的功能意义了解还不够全面。在小脑的三个深部核团中,顶核（fastigial nucleus, FN）是系统发生最早的核团,被认为参与调控了多种胃肠活动。本文的论文1即着眼于小脑FN,采用在体电生理学记录,对小脑-下丘脑投射的功能进行研究。同时,下丘脑外侧区和穹窿周区的orexin能神经元的传出纤维投射至包括前庭核团在内的几乎所有脑区,构成了中枢orexin能神经系统。中枢orexin能神经系统对一些非躯体性的生理功能,如睡眠/觉醒周期的调节、摄食调控、奖赏,发挥调节作用。然而,中枢orexin能神经系统对躯体运动控制影响的研究还较为缺乏。Orexin能神经系统有缺陷的动物会表现为猝倒症状。猝倒是一种运动缺陷病,在人、犬和啮齿类动物中,表现为肌紧张的突然消失。这一现象提示orexin可能对运动控制有一定的调节作用。但是,由于猝倒与嗜睡症密切相关,且常常由强烈的情感刺激所触发,orexin对于运动系统的作用被认为是其作用于睡眠或情感环路后的一个继发性效应。然而,一些研究结果表明,中枢orexin能神经系统可能直接参与中枢运动控制。首先,神经解剖学和免疫组织化学研究表明多个皮层下运动脑区,如基底神经节、小脑、前庭核团,接受下丘脑orexin能神经元的直接支配。其次,在运动过程中,orexin能神经元特别活跃,orexin的分泌也有所增加。最后,在去大脑猫的中脑运动区注射orexin将触发其运动,易化其肌张力。因此,中枢orexin能神经系统对运动控制的影响需要进一步的研究。本文的论文2从分子、细胞和行为三个水平,采用实时逆转录PCR、免疫荧光技术、离体与在体电生理学记录和行为学方法,对中枢orexin能神经系统与运动控制关系进行了研究。1、小脑顶核传入和外周摄食相关信号可达下丘脑背内侧核神经元摄食调控是由中枢和外周多条神经通路和多种体液/代谢因子共同参与的复杂的整合性生理活动。先前的行为学研究发现,损毁小脑皮层可引起动物的摄食行为变化、营养利用障碍和体重降低,然而机制不明。下丘脑背内侧核（dorsomedial hypothalamic nucleus, DMN）在调控摄食和能量平衡中发挥重要作用,其不仅接受由进食所激活的胃迷走神经传入的胃肠道信息,亦感知机体血糖水平变化。本研究旨在观察小脑FN、胃迷走神经、血糖和leptin信号传入可否在DMN同一神经元上会聚,从而参与摄食活动的短/长时程调节。研究采用在体细胞外记录方法观察了大鼠DMN神经元对电刺激小脑FN和胃迷走神经的反应,并对有反应的神经元进行外周注射葡萄糖和/或leptin的敏感性检测。结果表明：在所记录的200个DMN神经元中,104个（52%）对小脑FN刺激有反应。在104个接受小脑FN传入的DMN神经元中,95个（91.3%）亦对胃迷走神经刺激有反应。此外,10个DMN神经元还对同时刺激小脑FN和胃迷走神经表现出总和反应。在18个对小脑FN和胃迷走神经刺激都有反应的DMN神经元中,大多数（16/18,88.9%）被鉴定为血糖敏感和leptin敏感神经元,表明小脑FN、胃迷走神经、血糖和leptin传入信息可在同一DMN神经元上会聚。鉴于胃迷走神经、血糖和leptin水平均与摄食调控密切相关,因而,下丘脑DMN神经元可以整合由小脑FN接转的取食相关肢体信息与由胃迷走神经、血糖和leptin传入的摄食相关内脏信息,进而发起适当的摄食相关行为反应；而小脑也可以通过直接的小脑-下丘脑FN-DMN通路,参与摄食调控。2、Orexin对中枢前庭系统介导运动功能的直接调控作用起源于下丘脑的中枢orexin能神经系统广泛地支配包括前庭核团在内的几乎所有脑区,一般认为其全面地调节中枢神经元的活动和多种脑功能。本研究将从分子、细胞和行为三个水平,阐明orexin对运动系统的作用和内在机制,及对动物行为学的影响,以揭示中枢orexin能神经系统与运动控制间的关系。考虑到orexin缺失导致的猝倒表现为肌张力的突然消失,及中枢前庭系统在肌张力和姿势调控中的重要作用,我们将集中研究orexin对脑干前庭复合体的作用。此外,与其它感觉-运动环路相比较,中枢前庭环路在输入-输出转导上表现为线性相关,这与前庭反射紧密联系。这一显著特征能够使orexin对前庭核团的调控线性地转导成中枢前庭系统的最终传出,并且反映在行为学水平上。在本研究中,我们将前庭复合体中的前庭外侧核（lateral vestibular nucleus, LVN）作为研究对象,采用实时逆转录PCR、免疫荧光技术、离体与在体电生理学记录和行为学方法,研究中枢orexin能神经系统与运动控制的关系。结果表明：（1）实时逆转录PCR与免疫荧光结果表明orexin 1型受体（OX1受体）和orexin2型受体（OX2受体）同时在LVN上表达,并且集中分布在该核团的大神经元（giant neuron, LVN的传出神经元）上；（2）orexin-A在LVN神经元上诱发的内向全细胞电流是由OX1和OX2受体共同介导的；（3）orexin-A在LVN神经元上诱发的兴奋性反应是通过Na+-Ca2+交换体的激活和K+通道（内向整流型）的关闭两种机制共同介导的；（4）orexin-A能够直接增强LVN神经元的电活动,并提高其敏感性；（5）orexin-A能够兴奋在体动物的LVN神经元,提高其在平衡木测试和负趋向性实验中的表现能力；（6）LVN中注射OX1受体阻断剂SB334867降低动物在斜面平衡木和加速旋转棒走步机上的表现能力。因此,以上结果表明orexin不仅具有其他作者报道的参与对睡眠和情绪（非躯体性功能）的调控,也对动物运动（躯体性功能）有直接的调控作用,提示中枢orexin能神经系统在躯体-内脏反应整合中发挥重要作用。此外,本研究结果也提示了orexin缺失导致昏睡-猝倒症的可能原因。对下丘脑与中枢运动结构间相互作用的研究不仅有助于在神经生物学理论上全面认识摄食活动的精细神经体液调节网络、运动调控和猝倒病的发生机制及机体的躯体-内脏反应整合机制,而且有助于临床医学对摄食障碍（肥胖和厌食）,猝倒疾病和其他躯体-内脏并发性功能失调疾病提供新的治疗策略。

论文目录

摘要

Abstract

第一部分综述

一、下丘脑在摄食调控中的作用

二、脑干在摄食调控中的作用

三、端脑在摄食调控中的作用

四、小脑在摄食调控中的作用

五、结语

参考文献

第二部分研究论文

论文1 小脑顶核传入和外周摄食相关信号可达下丘脑背内侧核神经元

1 引言

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

论文2 Orexin对中枢前庭系统介导运动功能的直接调控作用