细胞水平的微刺激

J. B. Ranck在他著名的文章中曾经写道：“电刺激外侧下丘脑”是下面这种说法的简化版，即“有一个刺激电极摆放到外侧下丘脑，它影响了靠近电极位置的数目不详、细胞种类不详、位置不详的细胞”。今天我们有证据提示，神经元被直接激活的部位，通常是它的轴突始段和郎飞结。在那里，钠通道密度最高，因此兴奋性水平也最高。今天我们已经有很好的办法来估计刺激电极尖端电流扩散的有效范围。然而，关于DES的细胞效应到底如何，仍然有一系列的问题还等待研究与回答。例如，应用不同刺激程序（因为在刺激时经常用大电流）的时候，哪一类神经元元素是受刺激影响的？换言之，那是细胞体，还是突起？第二个问题是，离电流源不同距离处被兴奋神经元的确定性如何？另外，电刺激后的信号传播如何？也就是，信号有没有扩散，是按哪个方向扩散的，以及信号传播对于远隔部位皮层脑区有何确切效应？好多问题都有待解答。下面我们简单讨论几个方法学上的问题。例如，如何区分电刺激细胞体的效应和电刺激突起的效应？大脑皮层微回路受刺激时的突触后效应是怎么回事？［6］

为了引起神经元组件的兴奋，要用多强的电流、多长的刺激时间才能达到目的呢？在20世纪初，法国生理学家L. Lapicque发表了对神经元兴奋性的一项先驱性研究。他画出一条抛物线，此抛物线把方形电波的幅度阈值与作用时间联系起来。此后，无数的实验研究证实了Lapicque所谓的“强度-时间关系”曲线，也就是电流强度与脉冲时间增加两者之间的关系。具体地说，当刺激时间增加的时候，产生特定反应所需的电流幅度可以减少，直到渐近线的水平。Lapicque称之为“基强度”（rheobase），并且证明，刺激时间与刺激强度成反比，两者关系形成一条抛物线。Lapicque铸造了“时值”这个名词，“时值”表明当应用两倍基强度刺激的时候，为达到兴奋阈值所需的电流作用时间。在实践上，时值决定了强度-时间曲线达到渐近线水平有多快，它与指数函数的时间常数成比例。事实上，时值反映了神经群体的膜电容特征，从而提供了郎飞结附近轴突膜的非电压依赖钠电导的间接估计，虽然时值可以随刺激电极的大小而改变［6］。

应用时值和基强度理论来鉴定刺激时被激活的元素，令人信服地在一项研究工作中得到了证明。此工作应用了细胞外的逆向和顺向刺激，同时又联合应用了细胞内的电流注射。应用这种方法，研究者们第一次确定了用细胞外刺激引起逆向动作电位时的强度-时间曲线。在这里，毫不含糊地被激活的元素是轴突。为了引起动作电位，他们进行神经元的细胞内记录，并向细胞内注射电流，由此计算强度-时间曲线。这里激活的元素是细胞体。分别激活轴突和胞体得到的两条曲线，以后都与引起兴奋性突触后电位（EPSP）的强度-时间曲线进行了比较。引起EPSP的方法则是细胞外刺激脑的灰质，当然，其突触前兴奋元素是不清楚的。实验结果明确地演示，当把细胞外刺激应用于灰质时，这种方法所兴奋的细胞元素基本上是轴突而不是胞体。虽然动作电位经常在轴突上发生，但细胞内和细胞外刺激的差别反映了胞体和树突的特征，这些特征影响细胞内所引起的兴奋之传播速度。最近的大鼠和小鼠研究都证实，电刺激时优先激活的是轴突。该研究中的电刺激是与双光子钙成像相结合的。有意思的是，在进行低强度电流的刺激时发现了一个少见的激活形式：即使很少地移动一下电极，激活形式也会大大地改变，表明激活主要发生在围绕电极附近一个小体积中的轴突上［6］。

兴奋性特征也在介导某些行为或反应的其他神经元上得到评估，例如介导条件性反应、眼球反应、光幻视反应以及自我刺激反应等。这些研究发现，微刺激优先激活锥体细胞的粗纤维，它是大脑皮层最容易兴奋的元素。更最近的研究直接把电刺激和fMRI的记录联合起来。实验显示，随电刺激以后的fMRI激活是由轴突元素的兴奋而不是由附近血管平滑肌的兴奋所造成的。如果是平滑肌兴奋，将需要更长时间的时值才行［6］。

容积导体是电阻性的，大部分是各向同性的，直接激活神经元所需的电流量与神经元和电极尖端之间的距离平方成正比（也即，I＝Kr2）。这个关系是由一系列研究所演示的，包括从啮齿类、猫、灵长类的皮层和皮层-脊髓神经元所得到的结果。实验显示，兴奋常数（K）依赖于神经元轴突的粗细以及其髓鞘化的情况，粗的有髓鞘神经元的K值最低。增加电流强度通常被认为是激活了其胞体位于离电极更远处的神经元。然而如前所述，应用双光子钙成像的研究提示，增加电流强度的最明显效果可能是某一脑区内被激活的神经元的密度增加，而此脑区是由轴突投射型式所界定的［6］。

相反，联合应用电刺激与fMRI的实验显示，在典型情况下，BOLD对比量增加的空间范围超过了电流被动扩散所预计的范围。这提示，有通过水平的单突触连接因素存在。在fMRI研究中看到那种微刺激后的广泛电流扩布（一般刺激参数为200～400 μs、250～1400 μA、双向电脉冲，刺激频率为100～200 Hz），此结果与另一种实验情况下的电流扩布相一致。后一种实验应用光成像方法于新大脑皮层，一般用小电流强度（例如50 μA、500 Hz）。总起来看，当前的实验结果提示，增加电流强度既可以激活一个脑区范围里面的更多神经元，也可以通过功能连接而引起激活的扩散，两者都会发生［6］。