神经元的细胞周围调制

神经元的细胞周围调制至少可以在3种情况下发生，即：突触部位递质的溢出（spillover）、旁分泌式的调制、来自血液循环激素的调制（图21-1）。我们在这里提出了有别于“对突触传递的调制作用”的“对神经元的细胞周围调制作用”。因为体液中有许多化学物质，如从突触前分泌而溢出（spillover）到突触外区的神经递质，而神经递质受体也广泛分布于突触外区，所以递质肯定可以影响神经元的电活动。又如神经肽受体的分布往往离开突触区，神经肽的作用只能是神经元的一种细胞周围调制。又如从血液循环运送过来的激素，它们的受体也广泛存在于突触外区，所以这又是一种神经元的细胞周围调制。以上这些作用不一定影响突触传递，但它们确实对神经元有调制作用。以上这些，就是文献上经常提到的所谓细胞周围（ambient）作用。笔者认为，这是一个值得加以强调的重要问题。

神经元的细胞周围调制是神经元兴奋性调制的一种重要形式，这主要是考虑到突触外区在调制神经元电活动中所起的作用，即对突触外区细胞膜膜电位的影响。之所以要特别考虑突触外区的作用，是因为在那里的受体将会：①接受由突触部位外溢的递质；②接受附近细胞旁分泌的活性物质；③接受经由血液和细胞外液等的化学活性物质影响。下面将分别举一个例子加以说明：①GABAA受体的张力性抑制；②由神经胶质细胞分泌的神经甾体以旁分泌方式所起的调制作用；③通过血液循环而到达脑的激素的作用。

关于突触溢出，运动神经元-闰绍（Renshaw）细胞突触的乙酰胆碱溢出早已见诸报道。在新生小鼠脊髓薄片上，乙酰胆碱可以引起闰绍细胞上的兴奋性突触后电流（EPSC）。在此突触上，发现了运动神经元-闰绍细胞突触的乙酰胆碱溢出。实验表明，小EPSC（mEPSC）的衰减时间常数为13.0±1.1 ms，而诱发EPSC的衰减时间常数为15.6±0.8 ms和124.8±9.0 ms。后者在重复性刺激后变得更明显，但其时间常数不变，它可以选择性地被乙酰胆碱酯酶（AChE）所减弱。所以，这个慢成分是由乙酰胆碱的突触溢出所引起的［9］。

GABA是一个抑制性递质，它作用于突触后膜，引起IPSP。这是人们熟知的事实。但突触前神经元释放的GABA可以从突触部位向外溢出（spillover），引起神经元的细胞周围调制。因为突触外区GABAA受体的亚单位组成跟突触区的不同，其作用也特殊，所以GABA可以引起两种抑制，一种是位相性（phasic）抑制，即突触传递所引起的超极化；另一种是张力性抑制（tonic inhibition），指经由突触部位溢出的GABA激活突触外区GABAA受体所引起的神经元超极化（见第4章）。

但是，突触外区的GABAB受体又如何呢？GABAB受体与GABAA受体的作用有明显区别，GABAB受体的主要特征有：①介导突触后的慢抑制。经GABAB受体所引起的抑制性突触后电流（IPSC）具有长的潜伏期（约12～20 ms），这跟需要G蛋白偶联的过程有关，IPSC的上升时间及下降时间也都很长，其时间常数分别约为45 ms及110 ms或516 ms。②GABAB受体所引起的IPSC由K+介导，可能是内向整流钾通道（Kir3）。③GABAB受体可以介导兴奋性突触和抑制性突触的突触前抑制。④关于GABAB受体在神经元上的分布，从光镜水平看，GABAB1和GABAB2这两种亚单位主要分布于神经元的树突；从亚细胞水平看，这两种亚单位主要分布于突触外区的质膜，在海马主细胞的树突棘和树突干上，而且与Kir3的分布相一致［10］。

本书第4章花了相当多篇幅介绍GABAA受体介导的张力性抑制，但是，同为GABA的溢出，为什么不谈GABAB受体的作用呢？以此类推，其他受体的细胞周围激活起不起作用、起什么作用呢？这类问题的解决，可能需要用“精确细胞生物学”的思维方法。那就是，要对各种受体在细胞膜上的分布密度作图，对各种受体亚型的分布作图，然后结合实验的实际，分析它们各自在神经元周围调制中的作用。

有学者认为，张力性抑制与（突触）溢出性抑制是有区别的。例如，M. Hamann等报道了两种抑制——张力性抑制与（突触）溢出性抑制。在成年小脑皮层，从苔状纤维输入到浦肯野细胞输出，受颗粒细胞上GABAA受体的调控，影响这种受体激活的既有张力性抑制，又有突触溢出性抑制［11］。

Hamann等对张力性抑制和突触溢出性抑制作了区分。他们认为，从突触间隙溢出的神经递质可在远处神经元产生一个电流，如果神经元上的受体有足够高的亲和力，以致低浓度的递质就足以使它激活。例如，谷氨酸对NMDA受体的激活，或者GABA对含α6亚单位GABAA受体的激活，这些属于突触溢出性抑制。另外，即使没有递质释放，高亲和力受体也可能被由转运蛋白维持的低微摩尔浓度的递质所激活，这就是“张力性抑制”。海马和小脑的NMDA受体以及成年小脑颗粒细胞都显示有这种情况，成年小脑颗粒细胞显示有动作电位不依赖的张力性GABAA受体电导［11］。

神经活性甾体（neurosteroid）可以在胶质细胞中新合成，所以对神经元来说，神经活性甾体是一种旁分泌性质的物质。内源性神经活性甾体激素可以作用于含δ亚单位的GABAA受体，选择性地增强GABA反应。低浓度别四氢脱氧皮质酮（THDOC）可以明显地增加齿状回和小脑颗粒细胞的张力性电导，而不修饰位相性电流（见第4章）。

最近有人提出“突触分泌”（synaptocrine）假设，其实质仍然是神经活性甾体的旁分泌性作用［12］。

来自血液循环的甾体激素，如肾上腺皮质激素、性激素，它们到达神经元附近的细胞外液，有可能快速引起神经元兴奋性的改变，这就是甾体激素的快速、非基因组机制。

笔者等人在20世纪80—90年代的糖皮质激素快速、非基因组机制研究中，其实也已经接触到神经元的细胞周围调制问题。1987年华少莹和笔者发现，糖皮质激素（皮质酮，corticosterone；皮质醇，cortisol）可以快速地引起豚鼠交感神经节神经元的超极化，这种超极化可以被特异阻断剂RU38486所阻断；而且与血清白蛋白结合的皮质激素（B-BSA、F-BSA(1)），同样具有超极化效应，因此糖皮质激素应该作用于神经元膜的外侧面（图21-2）［13,14］。以后，郭佐等用纯化神经细胞膜制备做实验，鉴定了膜制备与各种甾体化合物的结合活性，根据不同甾体的竞争比例，确定了糖皮质激素膜受体（膜结合活性）的结合特异性［15］。根据糖皮质激素膜结合活性（膜受体）的这一特点，傅红等利用已知糖皮质激素核受体（作为抗原）的抗体，用免疫胶体金电子显微镜技术考察了推定的神经元质膜糖皮质激素受体之存在与否，得到了肯定的结果。作者在文中特别提出：“突触前神经元膜上的受体抗原，主要发现于不直接与突触后膜相接触的那些膜区；而突触后神经元膜上的受体抗原，则主要分布于突触外区。这些分布符合它（推定的糖皮质激素膜受体）可能接受来自血液循环的活性分子，而不是接受突触前末梢分泌的递质的特性。”［16］

图21-2　糖皮质激素引起豚鼠交感神经节神经元的超极化

豚鼠交感神经节神经元的细胞内记录。F，皮质醇；F-BSA，牛血清白蛋白结合的皮质醇。（图引自［14］）

图21-3　神经元膜上的糖皮质激素核受体样抗原活性

箭头指示胶体金颗粒。长度标尺：100 nm。（图引自［16］）

事实上，其他甾体激素也有对神经元兴奋性的快速作用，如雌激素［17］。

GABAA受体所介导的张力性抑制，提醒我们要注意突触外区在神经元电活动中的作用。我们也知道谷氨酸有张力性去极化（tonic depolarization）的作用。所以不论是GABA、谷氨酸或者其他神经递质，都要考虑突触外区激活的后果。此外，GABAA受体、谷氨酸受体等都是离子型受体，还要考虑突触外区代谢型受体的作用，例如GABAB受体、代谢型谷氨酸受体（mGluR）等。

所谓突触外区，仅是从突触部位考虑的。其实，整个神经元表面都可能是调制的靶。必须考虑旁分泌（paracrine）和激素的作用，如单胺类、神经肽、神经甾体，它们不一定来自突触，可以来自邻近细胞的分泌。它们不一定作用于突触部位，可以作用于广大神经元细胞膜的表面，引起相应的、非常局部的膜极化程度的变化。就激素的作用而言，包括甾体激素，它们虽然来自血液，但只要神经元细胞膜的广大表面存在它的受体，甾体激素可以引起神经元细胞膜的广大突触外区的电位波动。

慢突触后电位包括慢兴奋性突触后电位（slow EPSP，sEPSP）、慢抑制性突触后电位（slow IPSP，sIPSP）、晚慢兴奋性突触后电位（late slow EPSP，lsEPSP）等。第6章（6.3.1）曾经讨论了黄体生成素释放激素（LHRH）引起的lsEPSP，当时是把LHRH等作为神经递质看待的。在20世纪80年代，研究慢突触后电位的论文很多，现在也还有。例如，用全细胞记录技术记录了经过NMDA受体的慢EPSP（sEPSC）。在培养的海马或脊髓神经元上都可以记录到单突触EPSP。这个兴奋性突触后电位具有快和慢两个成分，其主要根据是：使用NMDA受体拮抗剂2-氨基-5-膦酰基缬草酸（2-amino-5-phosphonovaleric acid，APV）后，可以分辨出EPSP的两个成分。与APV不敏感成分相比，APV敏感成分（慢）具有相同的潜伏期、较慢的达到峰值时间。其他NMDA受体拮抗剂如氯胺酮（ketamine），也可以选择性地阻断慢成分等［18］。

但是，关于这些慢突触后电位与神经元的细胞周围电位波动，在功能上有何不同，还没有看到详细的分析。

要特别考虑突触外区的作用，因为在那里的受体将会接受来自突触部位外溢的递质、血液和细胞外液中化学活性物质的冲击。这些可能性看来都是存在的。可以设想，当人们服用巴比妥类安眠药而入眠时，其作用位点应该就在神经元的突触外区以及神经元的整个细胞周围的GABAA受体（见第4章）。

5-羟色胺可以强有力地调制脊髓的运动控制。突触区和突触外区5-羟色胺受体的作用，甚至可以有很大的差异。5-羟色胺的效应依赖于受激活受体的类型和激活部位。中等程度的5-羟色胺易化运动，促进运动神经元兴奋性，而较强程度的5-羟色胺释放则抑制节律性活动和运动神经元放电。后一效应被认为负责中枢性疲劳，保持运动神经元的轮换活动，因为不同部位受体的激活依赖于所释放5-羟色胺的位置和浓度，以及它的降解。事情有可能是这样的：突触区和突触外区5-羟色胺受体对运动起相反的作用。当低水平5-羟色胺释放时，突触内区5-羟色胺受体优先激活，而突触外区5-羟色胺受体仅当高浓度5-羟色胺时才被激活，此时的5-羟色胺是由突触部位溢出而来［19］。

又如突触外区的NMDA受体，它们除了定位于突触部位以外，也存在于突触外区、胞体周围区。这种存在已经由免疫组织化学方法和电生理学方法等所证实。在未成熟的海马神经元上，突触外区的NMDA受体占全部受体的3/4。虽然突触部位的NMDA受体在发育过程中会慢慢增加，但即使到了成年，突触外区也还仍然有NMDA受体存在。在成年动物海马脑片，仅有1/4的NMDA定位于突触周围，也即离开突触后致密（PSD）约100 nm之内，其余受体定位于树突或树突棘的非突触区。定位于树突突触外区的NMDA受体，约有1/3靠近胶质样突起，有1/2靠近轴突。这些部位NMDA受体的激活可导致长时程阻遏（LTD）［20］。

前已述及（15.2.4），NMDA受体是全身麻醉剂的重要分子靶。但讨论还没有涉及，这是哪一区的NMDA受体，是突触区的还是突触外区的。

现在已清楚，神经元除了含有快作用的递质以外，还有慢作用的神经（调制）肽。神经肽的作用不是负责神经传递，它在神经回路中的作用，一般被看作神经调制。前已述及，神经调制是指：并非能够直接引起突触后电位，而是影响突触后电位发生的容易与困难程度的那种作用（见第6章）。

神经肽的问题本来就是神经调质的问题。近年来的神经肽研究引人瞩目，进展很大，诸如：①催产素（OT）与大草原田鼠抚养非亲生幼仔的行为；②鼻腔内喷洒给予OT对人的社会行为的效应（见第19章）。

有人可能会有这样的印象，认为轴突传导比较不易受环境变化的影响，实际情况并非完全如此。有越来越多的证据表明，轴突干上表达有谷氨酸、GABA、乙酰胆碱、生物胺等的受体，由于它们的激活可以改变参与神经元兴奋性的各种离子通道的相对贡献，因此当有上述神经调制物存在的时候，轴突对神经编码的贡献是可以变动的［21］。轴突始段表达富含α2亚单位的GABAA受体，这显然对于调控神经元轴突始段的放电有重要意义［22］。无髓纤维的影响可能会更大些，因为在无髓轴突的表面表达更多受体，可用于收集局部环境信息的细胞表面积也更大［21］。

由上述可以看出，体液因素对脑功能的影响，不仅限于突触部位的神经递质。我们看到：从GABAA受体的张力性抑制引出了神经-精神疾病、睡眠和神经药理学等一系列问题（见第4章）。其实这里也引出了重要的理论问题。所谓张力性抑制的作用，无非就是它引起了神经细胞膜比较“广泛”范围的极化状态的改变，而不是局限于某一狭窄范围，例如突触，所以这是一种重要的神经元调制作用。

脑的状态、内态感的产生，在很大程度上与细胞周围调制有密切关系（详见后文）。

对脑功能来讲，神经元的细胞周围调制是一个独立起作用的因素，还是一个间接起作用的因素？这是一个未解决、比较棘手的问题。所谓“独立起作用”，是指在脑的调节或神智功能的实现中，神经元的细胞周围膜电位变化不需要通过其他机制（主要指神经传导和突触传递）就能发挥作用。那就是说，神经元的细胞周围调制是一个影响脑调节功能或神智功能的独立参数（详见后文）。

如果神经元的细胞周围调制是一个间接起作用的因素，就要提出这样的问题：它是如何影响神经传导和突触传递的？前已述及，细胞周围调制确实调制了神经传导，对于神经细胞其他部位来说也应该如此。这样，就要考虑非突触部位的神经元细胞膜表面某个微域（microdomain）的微小膜电位变动是如何影响神经元胞体、轴突、树突膜电位，进而影响突触后电位（影响突触传递）的。这里会涉及神经元的几何形状、细胞膜的电学特征等因素。这些都需要研究，需要新的技术手段。

电压敏感染料成像（voltage sensitive dye imaging，VSDI）是一种已有的技术手段，基于VSDI的成像技术提供了最高时间和空间分辨率，足以应用于活体脑功能研究［23］。但是，如果试图用电压敏感染料方法来检测细胞周围调制对神经细胞膜电位的影响，其检测分辨率还须大大提高。