劉玉堂

(河南工學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

神經(jīng)系統(tǒng)是由神經(jīng)元、突觸和其他特殊細(xì)胞組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),神經(jīng)元通過(guò)突觸接收和傳遞信息,神經(jīng)元的響應(yīng)和突觸的功能受到相當(dāng)大的關(guān)注。最近的一個(gè)世紀(jì)內(nèi),神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種特殊的突觸結(jié)構(gòu)——自突觸,它是同一神經(jīng)元不同部位之間的突觸。由于其奇怪的結(jié)構(gòu),自突觸連接一直沒(méi)有被很好地理解。然而,最近的許多研究發(fā)現(xiàn),自突觸在神經(jīng)系統(tǒng)中的分布比以前認(rèn)為的要廣泛得多。據(jù)報(bào)道,自突觸出現(xiàn)在大腦的各個(gè)區(qū)域,如新皮質(zhì)、小腦、海馬、紋狀體和黑質(zhì)。有趣的是,大約80%的皮質(zhì)錐體神經(jīng)元有自突觸聯(lián)系。許多研究表明,自突觸不僅僅是表面連接現(xiàn)象,而且在神經(jīng)系統(tǒng)中起著真正的生理作用。自突觸可以通過(guò)調(diào)節(jié)興奮性反饋來(lái)維持神經(jīng)系統(tǒng)的持續(xù)活動(dòng)[1]。最近的實(shí)驗(yàn)還表明,自突觸對(duì)于大腦的處理功能非常重要。Bacci等人記錄了幼年大鼠急性腦切片中快脈沖中間神經(jīng)元的活動(dòng),并發(fā)現(xiàn)自突觸增加了脈沖時(shí)間的精確度[2]然而,自突觸的功能及其對(duì)信息處理的作用仍不完全清楚。因此,了解自突觸活動(dòng)對(duì)神經(jīng)元反應(yīng)的影響是闡明神經(jīng)系統(tǒng)信息傳遞過(guò)程的基本步驟。

事實(shí)上,自突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中的自反饋連接,可能允許一種特殊類(lèi)型的自我控制,這類(lèi)似于其他系統(tǒng)中的自反饋。將一個(gè)系統(tǒng)連接到自身形成的自反饋電路,通常出現(xiàn)在許多系統(tǒng)中,例如基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),人口動(dòng)力系統(tǒng),和氣候系統(tǒng)。自反饋廣泛用于控制非線性系統(tǒng)的狀態(tài),例如誘發(fā)穩(wěn)定周期軌道或?qū)ο喔晒舱窨刂?。自反饋也常常被?yīng)用在電路元件的設(shè)計(jì)中。在這些系統(tǒng)中,關(guān)于過(guò)去或現(xiàn)在的信息分別影響著現(xiàn)在或未來(lái)的相同現(xiàn)象。此外,自反饋對(duì)非線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)有著顯著的影響。非線性系統(tǒng)振蕩開(kāi)始時(shí)的頻率可以通過(guò)自反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。此外,具有固定延遲時(shí)間的自延遲反饋可以抑制混沌[4,5]。Popovych等人在一項(xiàng)模擬研究中表明,延時(shí)自反饋具有使模型神經(jīng)元群失同步的能力[6]。Rusin等人對(duì)一組神經(jīng)元進(jìn)行了延時(shí)反饋刺激,實(shí)驗(yàn)證明延時(shí)反饋可導(dǎo)致一組神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏耐絒7]。Prager等人發(fā)現(xiàn),延遲反饋可以促進(jìn)噪聲誘導(dǎo)的神經(jīng)元系統(tǒng)振蕩[8]。研究發(fā)現(xiàn),自突觸的延遲反饋可以改變Hopf分岔神經(jīng)元的峰峰間隔的分布[9]。這種自突觸延遲反饋還可以減弱隨機(jī)神經(jīng)元在特征頻率下的自突觸峰放電活動(dòng)。自突觸對(duì)單個(gè)神經(jīng)元系統(tǒng)峰值頻率的影響取決于自突觸活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間[10]。對(duì)自突觸延遲反饋的調(diào)制可以導(dǎo)致神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)行為在靜態(tài)、周期性放電和混沌放電模式之間切換[11,12]。

在這篇文章中,我們回顧了目前關(guān)于自突觸對(duì)單個(gè)神經(jīng)元影響的研究。

1 自突觸連接

科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直在研究神經(jīng)元和突觸的功能和特性。神經(jīng)元的大小、形狀以及電活動(dòng)各不相同。突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中的一種結(jié)構(gòu),是神經(jīng)元(或神經(jīng)細(xì)胞)將電信號(hào)或化學(xué)信號(hào)傳遞給另一個(gè)細(xì)胞(神經(jīng)細(xì)胞或其他細(xì)胞)的重要媒介。1972年,Van der Loos和Glaser首次將自突觸描述為錐體細(xì)胞軸突與其自身樹(shù)突之間的突觸[12]。在van der Loos等人的報(bào)告發(fā)表之前,其他術(shù)語(yǔ),如“自我激發(fā)”和“自我感覺(jué)”被用來(lái)描述自我突觸結(jié)構(gòu)。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái),神經(jīng)系統(tǒng)中的自突觸似乎只是解剖學(xué)上的發(fā)現(xiàn),其功能意義值得探討,然而,最近的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始揭示自突觸如何在大腦功能中發(fā)揮重要作用。一些報(bào)道還表明自突觸與某些神經(jīng)疾病有關(guān)[13]。神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一直關(guān)注興奮性(谷氨酸釋放)和抑制性(GABA釋放)自突觸。迄今為止,幾乎在神經(jīng)系統(tǒng)的所有部位都發(fā)現(xiàn)了自突觸結(jié)構(gòu)[14]。圖1給出了一個(gè)大鼠海馬神經(jīng)元的多個(gè)突起的照片。在自然界中,自突觸連接可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元的自我反饋。因此,在目前幾乎所有的自突觸研究中,具有自突觸連接的神經(jīng)元包含一個(gè)自延遲反饋機(jī)制的單室模型。

圖1 大鼠海馬神經(jīng)元的切片,圖中的突起為標(biāo)記的突觸

圖2 自突觸模型的示意圖

2 自突觸模型

延遲時(shí)間是信號(hào)重新導(dǎo)入神經(jīng)元之前因軸突傳播速度有限而造成的信號(hào)滯后。延遲時(shí)間也被認(rèn)為是自突觸連接的重要特性之一。在以往關(guān)于自突觸對(duì)神經(jīng)元影響的研究中,自突觸的數(shù)學(xué)模型分為兩大類(lèi):一類(lèi)是線性自耦合,描述縫隙連接;另一類(lèi)是非線性自耦合,描述化學(xué)性突觸,可能是興奮性或抑制性突觸。自突觸的具體數(shù)學(xué)模型取決于所選的神經(jīng)元模型。

簡(jiǎn)化神經(jīng)元模型(如Hindmarsh-Rose神經(jīng)元、FitzHugh-Nagumo神經(jīng)元、Izhikevich神經(jīng)元等)的自突觸連接通?？梢杂靡韵鹿街幻枋鯷10,11,15]:

(1) 線性耦合模型:

Iaut=gaut(V(t-τ)-V(t))

gaut是自突觸的最大電導(dǎo),τ是延遲時(shí)間。

(2) 化學(xué)性自突觸使用的快速閾值調(diào)制模型:

Iaut=-gaut(V(t)-Vsyn)s(t-τ)

s(t-τ)=1/[1+exp[-k(V(t-τ)-θ)]]

其中,gaut是自突觸的最大電導(dǎo),τ是延遲時(shí)間,Vsyn為自突觸的反轉(zhuǎn)電位,θ為突觸閾值。

3 簇放電神經(jīng)元放電模式的轉(zhuǎn)遷

實(shí)驗(yàn)觀察表明,動(dòng)作電位可以表現(xiàn)出不同的放電模式,主要的放電模式是峰放電和簇放電活動(dòng)[16-19]。簇放電是一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和脊髓的神經(jīng)元的放電模式中極其多樣的普遍現(xiàn)象[20,21]。先前對(duì)帶有自突觸的簇放電神經(jīng)元的研究顯示了由自突觸引起的新的動(dòng)力學(xué)和放電模式的轉(zhuǎn)變[11]。

Hindmarsh和Rose的簡(jiǎn)化模型(HR模型)已被證明能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地捕捉實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電活動(dòng)的特征,尤其是在研究神經(jīng)元膜電位的峰、簇放電行為的產(chǎn)生機(jī)制時(shí)。

在沒(méi)有自主放電的情況下,HR神經(jīng)元表現(xiàn)出許多動(dòng)態(tài)行為,包括靜息、規(guī)律的峰放電、周期性和混沌的突發(fā)放電模式。自突觸的存在完全改變了原始HR神經(jīng)元的放電模式。隨著自突觸參數(shù)的變化,可以獨(dú)立于原始的放電模式,將放電模式從周期或混沌放電模式調(diào)整為另一個(gè)周期模式或混沌模式。在較短的延遲時(shí)間內(nèi),HR神經(jīng)元的放電模式表現(xiàn)出周期性的峰放電,與外部刺激電流輸入無(wú)關(guān)。具有興奮性化學(xué)自突觸的神經(jīng)元與具有電自突觸的神經(jīng)元相比,在更大的的gaut-τ空間區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出混沌放電模式。對(duì)于強(qiáng)外部刺激,gaut-τ空間中組合參數(shù)的混沌區(qū)域被放大。興奮性自突觸在整體上對(duì)混沌的產(chǎn)生和增強(qiáng)起到了積極作用。作為具有抑制性突觸聯(lián)系的神經(jīng)元,HR神經(jīng)元的混沌峰放電得到抑制。在適當(dāng)?shù)囊种菩宰酝挥|參數(shù)下,HR神經(jīng)元可以被抑制到靜息狀態(tài)。

4 峰放電神經(jīng)元的鎖相行為

當(dāng)受到周期性刺激時(shí),神經(jīng)元以不同的鎖模放電模式和準(zhǔn)周期狀態(tài)作出響應(yīng)。當(dāng)自突觸出現(xiàn)時(shí),神經(jīng)元的鎖相可以切換到另一種狀態(tài),具體取決于所選的自突觸參數(shù)。自突觸提供自我反饋,并為動(dòng)態(tài)神經(jīng)元系統(tǒng)提供額外的時(shí)間尺度。因此,由于自突觸延遲反饋、外部周期性刺激和神經(jīng)元的內(nèi)在活動(dòng)之間的相互作用,神經(jīng)元自突觸系統(tǒng)可能表現(xiàn)出非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)。

在以前的研究中,模型神經(jīng)元自突觸系統(tǒng)包含一個(gè)HH神經(jīng)元和一個(gè)自突觸。HH模型是一個(gè)基于電導(dǎo)的模型,描摹了神經(jīng)元中的動(dòng)作電位是如何啟動(dòng)和傳播的。

在沒(méi)有自突觸的情況下,鎖相行為取決于刺激頻率和振幅的值。頻率和振幅空間中的阿爾諾德舌頭顯示了各種鎖相狀態(tài)的總體特征,并提供了不同的p:q(表示每個(gè)輸入尖峰的輸出動(dòng)作電位)鎖相區(qū)域。參考文獻(xiàn)[22]中還給出了產(chǎn)生復(fù)雜鎖相區(qū)域邊界的分岔機(jī)制。

自突觸的存在極大地改變了神經(jīng)元的鎖相模式。對(duì)于相同的正弦刺激,有自突觸的神經(jīng)元比沒(méi)有自突觸的神經(jīng)元能激發(fā)更多或更少的動(dòng)作電位。神經(jīng)元的活動(dòng)也可以被驅(qū)動(dòng)到閾下振蕩。對(duì)于自突觸,鎖相模式的改變?nèi)Q于自突觸的電導(dǎo)率和延遲時(shí)間。當(dāng)突觸電導(dǎo)很小時(shí),鎖相模式p:q與沒(méi)有自突觸的情況類(lèi)似。當(dāng)突觸電導(dǎo)較大時(shí),神經(jīng)元表現(xiàn)出非常復(fù)雜的鎖相放電。當(dāng)正弦電流的頻率從零增加到“閾值”頻率(給定固定輸入振幅時(shí),神經(jīng)元觸發(fā)動(dòng)作電位的最小輸入頻率)時(shí),鎖模觸發(fā)的p:q值從零增加到非常大的值。

5 結(jié)論與展望

自延遲反饋顯著影響非線性動(dòng)力系統(tǒng),這種自反饋回路為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)引入了新的時(shí)間尺度[23]。一個(gè)具有自突觸的神經(jīng)元系統(tǒng)包含兩個(gè)時(shí)間尺度:神經(jīng)元的內(nèi)在時(shí)間尺度和自突觸的時(shí)間尺度。然而,因?yàn)橛懈嗟臅r(shí)間尺度,包括神經(jīng)元、突觸、環(huán)境和自閉連接的時(shí)間尺度,神經(jīng)系統(tǒng)的情況就更加復(fù)雜了。這種復(fù)雜性提出了一個(gè)問(wèn)題,即自突觸的活動(dòng)時(shí)間如何影響神經(jīng)系統(tǒng)中耦合神經(jīng)元的活動(dòng)。

自突觸提供了神經(jīng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的自反饋回路。自突觸被命名以來(lái),許多實(shí)驗(yàn)研究表明自突觸在大腦功能中起著重要作用。目前關(guān)于自突觸聯(lián)系的理論研究也報(bào)道了自突觸的重要性以及由自突觸引起的許多新的動(dòng)力學(xué)行為。自突觸提供了一種控制選項(xiàng),可以充分調(diào)節(jié)神經(jīng)元在任何形式的輸入刺激下的放電行為。

自突觸提供了一種新的機(jī)制,可以在簇放電神經(jīng)元的靜息、周期性和混沌放電模式之間進(jìn)行切換。自突觸誘導(dǎo)的放電模式轉(zhuǎn)換的結(jié)果也表明,自突觸可以作為控制神經(jīng)系統(tǒng)在不同相關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)之間轉(zhuǎn)換的有效工具。對(duì)于具有自突觸的HH神經(jīng)元,當(dāng)延遲時(shí)間增加時(shí),輸出峰放電的放電頻率和峰峰間隔分布呈現(xiàn)周期性行為[24]。

在一組具有小世界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的HH神經(jīng)元中,還研究了自突觸對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步的影響[25]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)自突觸延遲反饋發(fā)生變化時(shí),神經(jīng)元表現(xiàn)出同步轉(zhuǎn)換,當(dāng)選擇最佳自突觸強(qiáng)度時(shí),會(huì)出現(xiàn)精確的同步網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。Alberto Bacci和他的同事研究了籃細(xì)胞的自突觸自我抑制,并認(rèn)為自突觸反饋在大腦皮層網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)期間對(duì)籃細(xì)胞的時(shí)間協(xié)調(diào)具有雙重功能[26]。另一項(xiàng)研究還表明,在癲癇患者的腦切片中,自突觸的快脈沖神經(jīng)元表現(xiàn)出異步釋放,這種放電可能參與并影響包括癲癇在內(nèi)的大腦活動(dòng)。

盡管有許多關(guān)于自突觸系統(tǒng)的研究,但自突觸的確切功能及其對(duì)信息處理的貢獻(xiàn)仍不清楚。在實(shí)驗(yàn)和理論領(lǐng)域也有許多懸而未決的問(wèn)題:(1)自突觸在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)中的作用是什么?例如,快速放電神經(jīng)元在調(diào)整網(wǎng)絡(luò)同步方面具有優(yōu)勢(shì)。(2)自突觸異步釋放的分子機(jī)制是什么?它在生理和病理活動(dòng)中的作用是什么? (3)自突觸在神經(jīng)回路和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳播中有哪些功能?解決這些問(wèn)題也將有助于我們理解支配大腦皮層活動(dòng)的幾個(gè)核心功能的基本機(jī)制。