突触部位的物理耦合

突触包含由细胞骨架、细胞黏附分子和细胞外基质（ECM）蛋白所耦合的不同区隔，每个成分都会对突触元素发生黏附力（Fa）。突触前和突触后区隔可以按照相关联的方式，改变它们的结构和生理强度。然而我们不知道，当区隔之一所转导的机械力发生变化时，是否会触发另一个区隔的功能变化。我们也不知道，树突棘是否可以把机械力传送到突触前区隔，从而影响神经递质的释放与再循环。有几个关于突触耦合以及突触前膜张力影响神经递质小泡动力学的实验观察，支持有这种可能性存在［5］。

依赖于突触的细胞力学匹配（在相连接的突触前后区隔之间硬度或弹性的等同性程度），看起来似乎是有可能的。树突棘可以向突触前伴侣施加各种力——回缩力（F回）、抽动力（F抽）或伸长力（F伸），从而触发突触前膜张力或弯曲的功能性变化（图9-3a）。如果树突棘产生一个拉力，而这个力大于突触前膜的弯曲模量，但小于突触黏附分子间键分裂的力，那么，突触前膜的张力将受树突棘拉力的影响。在海马突触上，树突棘的运动度经常耦合于突触前终扣伴侣的运动度，而且一个区隔的扩张将导致另一个区隔的缩减。突触前膜的张力能够以整联蛋白相关的方式影响突触小泡的组构，调制突触小泡胞外排的速率。事实上，自从P. Fatt和卡茨进行原始性经典小终板电位的描写以来，人们已认识到机械力可以调制突触传递。这些及其他观察提示，力学信号可能在脑内进行功能性传递，通过细胞骨架和细胞黏附分子之间发生的相互作用的介导，从一个突触区隔到另一个区隔（图9-3a）。在神经-肌肉接头上已经观察到，当肌肉生长时，有类似的突触前和突触后伴侣间黏附所介导的变化证据。神经科学中的力学生物学研究，目标应该是测定突触的顺向及逆向力学信号化，在多大程度上参与了突触发育、突触信息转送及可塑性［5］。

图9-3　突触区隔间机械力的转导及其功能含义（彩图见图版此处）

（a）树突棘通过细胞黏附分子耦合到轴突末梢，黏附分子对突触实现黏附力（F黏）。肌动蛋白介导的树突棘结构变化有几种力代表：扩张力（F扩）、缩减力（F缩）及抽动力（F抽）。这种在树突棘或在轴突末梢产生的力，被假定可以在其对侧区隔上引起结构和功能的变化。这些作用可能来自力从一个区隔到另一个区隔的转导，力的转导是通过细胞骨架和细胞黏附分子的突触耦合机制。（b）邻近树突棘间的信号化可以包含由F-肌动蛋白和微管实施的推力（F推）与拉力（F拉）。从活性树突棘形成的Ras同源基因家族成员A（Ras homolog gene family，member A，RHOA）弥散，可以引起由细胞骨架元素所产生的局部力变化。因为微管可以让机械力跨越相对大的距离，故可能影响邻近非活性树突棘的物理收缩或抽缩（twitching），而这又可能转过来影响膜张力和离子通道活性。（c）在3个不同层次的组织中两根轴突的生长动力学，每个层次具有不同的底物硬度。蓝：低硬度；红：高硬度。细胞力学匹配原理：蓝生长锥在蓝的底物上，红生长锥在红的底物上。这个原理调节了生长锥产生拉力以利于生长的能力。（图引自［5］）

相邻树突棘之间的信号传送，包含有GTP酶分子的弥散。例如，RHOA从受刺激树突棘侧向弥散，经过树突内约5 μm的距离，影响邻近树突棘的可塑性。实现下游信号传送后果的基本机制还不清楚。有一个可能是，作为对突触活动的反应，局部GTP酶诱导的微管及F-肌动蛋白变化，使力学信号可以在细胞骨架耦合-树突棘之间的小网络中传送（图9-3b）。例如，微管可以像有弹性的棍棒一样发挥作用，距离可达10 μm，而平均树突棘间的距离仅约1 μm。此外，力-速度测定（其等级为1 μm/min）的结果符合空间分离树突棘受GTP酶活性影响的距离，这种活性可以在树突棘激活之后持续约30 min。这种时间及长度尺度支持了一个假说，即GTP酶活性的改变可以通过细胞骨架元素，调制机械力的传送，而细胞骨架元素是树突棘间信号传送的一种方法（图9-3b）。近来的观察显示，微管可以侵入树突棘，以活动依赖的方式调节棘的形态学。基于前述微管特征的背景（参看9.2.3）应该可以预期，微管的树突棘侵入将伴有微管推力（F推）和拉力（F拉）的局部变化。关于细胞骨架元素所转导的推力或拉力是否能够作为信号得到传送，从而在空间上分离开的树突棘之间触发力学变化还不清楚，但证据似乎有利于可能性存在的研究［5］。

为了保证合适的生长，细胞突起一定要能够感受它周围环境的力学性质，当它必须对所产生的拉力进行调整的时候。虽然已经知道，生长锥的机械特征和ECM坚硬程度的差别性调整可以调节突触的形成，但是对这些元素之间错综复杂的相互作用，并不完全了解。啮齿类海马的各个细胞层具有明显不同的硬度（CA1区锥体细胞层：0.14 kPa；CA1区放射层：0.20 kPa；CA3区锥体细胞层：0.23 kPa；CA3区放射层：0.31 kPa）。在硬度范围为0.5～7.5 kPa的底物上培养时，在软一点底物上培养的海马轴突生长得快一点。类似地，在胚胎脊髓神经元的发育中，在比较软的底物（0.05 kPa）上生长相比于在比较硬的底物（0.55 kPa）上生长，其神经突起的分叉密度可以高5倍。有意思的是，当受到机械力拉长时，背根神经节（DRG）神经元的轴突生长相当地加快。鸡胚胎前脑及感觉神经元生长的发动及生长速率也可以受机械张力的调制。皮层或海马神经元的轴突是否以同样的方式对力学牵拉作出反应，尚不清楚。这是一个令人特别感到奇怪的问题，因为牵拉力的显微镜技术显示，DRG神经元的生长锥可以产生相当大的拉力（约537 pN），比之海马神经元（71 pN）。作为底物硬度或生长锥牵拉力的函数而表达不同的生长速率，可能代表了经过力学作用而产生型式突触的一个过程（图9-3c）［5］。

牵拉力产生的分子介导物与力感受机制合作，可以完善轴突生长的动力学。肌球蛋白ⅡB介导生长锥牵拉力的产生；肌球蛋白ⅡB基因敲除小鼠的上颈神经节神经元丝足所产生的牵拉力（约660 pN）比之来自野生型小鼠的同样丝足（970 pN）要小一点。F-肌动蛋白及整联蛋白两者都能够向生长着的细胞突起报告底物硬度，细胞突起又转过来优化自己的力学特点，以控制在环境中生长的动力学。此类闭环反馈系统可能具有功能的相关，通过轴突的生长速率对机械应力暗号作出反应，可以跟上动物机体的生长。总起来看，在发育及成年的可塑性方面，上述动态细胞力学的匹配原理可能为调整突触的形成提供一个机制（图9-3c）。对不同解剖学分区、活性程度以及发育阶段的生长锥牵拉力变化加以特征化，应该会进一步推动阐明：细胞力学匹配的原理是如何影响突触形成的。这看起来似乎特别重要，因为发育过程中脑的力学特征是变化的。此外，细胞力学匹配对于缝隙连接、神经-血管接头及其他细胞黏附位置的信号传送可能是重要的，在那些位置上，细胞具有物理相互作用的不同的力学特点［5］。