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中枢组胺能神经系统对小脑顶核及底丘脑核神经元活动调控作用的研究

作　者: 何叶成
导　师: 王建军
学　校: 南京大学
专　业: 生物学
关键词: 组胺小脑中枢组胺能神经系统下丘脑-小脑投射组胺受体小脑顶核运动控制感觉-运动整合底丘脑核 6-羟基多巴胺损毁帕金森病
分类号: Q427
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

下丘脑是调节机体内脏活动和内分泌活动的高级中枢。近年来的研究发现,下丘脑通过起源于结节乳头核(tuberomammillary nucleus, TMN)的组胺能神经纤维支配许多皮层下运动结构(如小脑、基底神经节、红核和前庭核团等)。这一现象提示下丘脑能够通过由TMN神经元轴突构成的中枢组胺能神经系统调节运动神经元兴奋性和影响机体的躯体性运动功能,并在机体的躯体-内脏功能整合上起重要作用。起源于下丘脑TMN的组胺能神经纤维末端以曲张体的形式释放递质组胺而与靶细胞发生联系。组胺受体也广泛分布在中枢神经系统中。中枢组胺能神经系统的缺陷或功能紊乱导致人及动物产生某些疾病或行为异常,包括运动功能受到影响,提示中枢组胺能神经系统对运动功能具有影响。小脑(cerebellum)和基底神经节(basal ganglia)是皮层下两个重要的运动结构。小脑通过上、中、下三对小脑脚,与大脑皮层、脑干以及脊髓发生传入和传出联系。小脑通过对皮层下达的运动指令和实际运动执行情况的反馈信息进行比较并纠正偏差来提高运动的精确性,参与躯体的平衡、肌紧张和随意运动的协调。因此,小脑受损会导致肌张力的异常、躯体平衡的失调和机体运动的共济失调等症状。基底神经节接受所有皮层区域的传入,其传出纤维主要投射到与运动计划有关的额叶皮层。基底节的直接和间接通路共同调节躯体运动的发起。因此,基底神经节的病变也会导致一系列躯体运动控制失调,比如随意运动的发起困难、不正常的随意运动和运动平衡失调。神经解剖学研究证实了小脑和基底神经节底丘脑核(subthalamic nucleus, STN)均接受下丘脑发出的组胺能神经纤维支配,同时组胺受体在小脑和STN中均有表达,而组胺和中枢组胺能神经系统对STN和小脑深部核团神经元是否具有效应,以及对运动功能的调控作用还知之甚少。在本研究工作中,我们采用离体脑片的电生理学记录方法研究组胺对STN和小脑核团神经元的效应,并用整体动物的行为学实验研究组胺对经这两个运动结构介导的运动调控作用的影响。一、组胺对小脑顶核神经元活动的影响以及对运动调控的作用小脑顶核和间位核作为脊髓小脑两大最终输出途径,在机体运动协调和平衡的调控中起重要作用。先前研究揭示了下丘脑到小脑深部核团的直接的组胺能神经投射,并能够引起小脑间位核神经元的直接突触后兴奋效应。然而,组胺对小脑顶核的作用,以及相应的行为学效应尚未明了。在本研究中,我们采用大鼠离体脑片细胞外记录的方法,观察了组胺对小脑顶核神经元的作用,发现组胺能够引起顶核神经元的剂量依赖性兴奋反应(65/77,84.4%)。低钙/高镁脑脊液不能阻断组胺诱导的兴奋反应,提示这是一个直接的突触后效应。选择性组胺H1受体阻断剂triprolidine(n=20)和chlorpheniramine(n=10)都不能阻断组胺引起的兴奋性效应,而选择性组胺H2受体阻断剂ranitidine(n=15)能够有效抑制组胺诱导顶核神经元产生的兴奋反应。另一方面,选择性组胺H2受体激动剂dimaprit(n=30)能够模拟组胺对顶核神经元的兴奋性效应,而选择性组胺H1受体激动剂2-pyridylethylamine(n=20)对顶核神经元无效应。Dimaprit诱发顶核神经元产生的兴奋性反应能够被H2受体阻断剂ranitidine(n=13)有效地阻断,而H1受体阻断剂triprolidine(n=15)则不能。这些结果显示,组胺是通过H2受体兴奋小脑顶核神经元的。进一步地,我们在成年雄性大鼠双侧顶核注射组胺能药剂,并观察组胺在整体水平对大鼠运动调控的影响。在开场实验,我们发现组胺作用于小脑顶核并不影响大鼠的基础运动行为,对大鼠的运动没有影响。在加速rota-rod走步机实验中,组胺能够显著提高大鼠的运动协调能力。组胺H2受体阻断剂ranitidine能显著抑制大鼠运动协调能力,而组胺H2受体激动剂dimaprit能够模拟组胺的提高大鼠运动协调能力的作用；组胺H1受体阻断剂triprolidine以及H1受体激动剂2-pyridylethylamine对大鼠运动协调能力均没有影响。在平衡木实验中,组胺能够显著提高大鼠的运动平衡能力。组胺H2受体阻断剂ranitidine能显著抑制大鼠运动平衡能力,而组胺H2受体激动剂dimaprit能够模拟组胺的提高大鼠运动平衡能力的作用；组胺H1受体阻断剂triprolidine以及H1受体激动剂2-pyridylethylamine对大鼠运动平衡能力均没有影响。进一步地,在加速rota-rod走步机和平衡木实验中,组胺能够扭转H2受体阻断剂ranitidine引起的运动平衡协调能力下降,说明ranitidine确实通过H2受体产生的效应。这些结果提示组胺通过H2受体影响大鼠运动平衡协调能力。在足印(foot-print)实验中,大鼠双侧顶核注射组胺,能引起大鼠行进时双侧后足间距减小的变化；而在悬挂实验中,大鼠双侧顶核注射组胺,并不能有效延长大鼠悬挂的时间。这些结果提示,大鼠双侧顶核注射组胺,改变了大鼠肢体躯干部肌肉的肌张力,而对肢体末梢部肌肉的肌张力影响不大。综上所述,起源于下丘脑的组胺能投射能够调节脊髓小脑部最终输出核团之一顶核的神经元活动,并最终影响小脑功能以及运动调控。考虑到下丘脑是内脏调节的高级中枢,我们推测,在运动中,下丘脑-小脑组胺能投射纤维能够整合并协调机体的躯体-内脏反应,以适合内外环境的改变。二、组胺对STN神经元活动的影响以及对运动调控的作用STN是基底神经节环路中唯一的兴奋性谷氨酸能核团,它接受苍白球及大脑运动皮层的传入并发出广泛的纤维投射到基底神经节的其它核团。因此,STN被认为在基底神经节的运动整合功能中起着驱动及控制作用。许多研究表明在帕金森病(Parkinson disease, PD)患者及PD模型动物中STN神经元的自发放电频率升高并且出现不规则的p同步化震荡。临床上将STN做为深部脑刺激治疗PD的靶点。放射自显影、免疫组化和原位杂交实验发现地松鼠下丘脑TMN有到STN直接的组胺能投射,并且在人类及豚鼠的STN中分别发现有组胺H1和H2受体。另有研究发现PD病人脑内组胺能纤维密度增高,基底神经节(壳核、黑质网状部、苍白球)及血液内组胺的浓度显著升高。然而,组胺对STN神经元的活动的影响以及中枢组胺能神经系统在PD发生和发展中的作用的研究相对较少,本研究旨在探讨组胺对STN神经元的作用以及组胺通过STN对正常及PD模型大鼠运动能力的影响。我们在本实验中应用离体脑片的细胞外记录方法记录了134个STN神经元,所有记录到的神经元(134/134,100%)对组胺刺激均表现出兴奋反应,并具有剂量依赖性效应。该反应在低钙/高镁(n=12)介质的灌流时仍然存在,说明组胺兴奋STN神经元的作用是一种突触后效应。高选择性组胺H2受体阻断剂ranitidine(n=23)可以有效地阻断组胺引起的STN神经元的兴奋反应,而高选择性组胺H1受体阻断剂mepyramine(n=20)以及高选择性组胺H4受体阻断剂JNJ7777120(n=18)不能阻断组胺对STN神经元的兴奋效应。另一方面,高选择性组胺H2受体激动剂dimaprit(n=23)可以模拟组胺对STN神经元的兴奋效应,而高选择性组胺H1受体激动剂2-pyridylethylamine(n=16)以及高选择性组胺H4受体激动剂UVF8430(n=15)不能模拟组胺的作用。另外,选择性组胺H2受体阻断剂ranitidine(n=16)能有效的阻断dimaprit诱发的STN神经元兴奋效应。以上结果说明组胺对STN神经元的兴奋作用是由组胺H2受体介导的,这一结果与我们应用免疫组织化学方法得到的结果一致。有趣的是,通过行为学实验研究发现在6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine)损毁侧的STN核团注射组胺和高钾(n=12)能够显著降低阿普吗啡(apomorphine)诱导的旋转行为,同时单侧STN核团注射ranitidine(n=12)能够显著增加阿普吗啡诱导的旋转行为而meyramine(n=12)没有这种改变效应。同时,在电生理学实验研究中我们发现在6-羟基多巴胺诱导的PD模型大鼠的离体脑片的细胞外记录中发现组胺不但能够提高STN神经元的自发放电频率而且能够显著降低STN神经元自发放电的峰-峰间期的变异系数(n=30),而高钾只能提高STN神经元的自发放电频率(n=16)。进一步的行为学实验研究发现在正常大鼠组胺对STN神经元上组胺H2受体的激活能够提高大鼠的运动能力。综合上述,我们的结果表明：组胺通过激活STN神经元上组胺H2受体改善PD模型大鼠的运动行为。结合已有的组胺兴奋黑质、纹状体、苍白球等基底神经节结构神经元的研究结果,我们认为中枢组胺能神经纤维可能通过直接的平行投射兴奋基底神经节直接通路和间接通路的各核团而调制运动的发起、执行及终止,同时基底神经节中组胺H2受体可能成为临床治疗PD疾病的靶点。

全文目录

摘要  7-12
Abstract  12-18
第一部分综述：中枢组胺能神经系统对皮层下运动结构的调控  18-48
  1 中枢组胺能神经系统的基本特征  18-26
    1.1 中枢组胺能神经元的形态和分布  18-19
    1.2 脑内组胺的合成、释放、失活及分解  19-20
    1.3 组胺能神经元的电生理特性  20-21
    1.4 其他递质对中枢组胺能神经元的影响  21-22
    1.5 中枢组胺能神经元对其他递质的影响  22-23
    1.6 组胺能神经元投射纤维  23-24
    1.7 中枢组胺受体  24-26
  2 中枢组胺能神经系统投射的运动结构  26-36
    2.1 小脑  27-28
    2.2 基底神经节  28-33
    2.3 前庭核团  33-34
    2.4 脊髓  34-35
    2.5 其他运动相关核团  35-36
  3 中枢组胺能神经系统的功能  36-39
    3.1 组胺的觉醒功能  36
    3.2 组胺对代谢的调节  36-38
    3.3 组胺对学习和认知的调节  38
    3.4 组胺对焦虑的调节  38
    3.5 组胺对疼痛的调节  38-39
  4 结语  39
  参考文献  39-48
论文一组胺通过激活H_2受体兴奋小脑顶核神经元并提高大鼠的运动能力  48-70
  1 引言  48-49
  2 材料与方法  49-53
    2.1 脑片准备及细胞外记录  49-50
    2.2 动物手术及行为学测试  50-53
  3 结果  53-64
    3.1 细胞外记录  53-59
    3.2 行为学  59-64
  4 讨论  64-67
  参考文献  67-70
论文二组胺兴奋大鼠底丘脑核神经元并改善帕金森病模型大鼠的运动能力  70-100
  1 引言  70-72
  2 材料与方法  72-79
    2.1 实验动物  72
    2.2 离体脑片的制备及底丘脑核神经元的细胞外记录  72-74
    2.3 免疫荧光组织化学  74-75
    2.4 组胺对PD模型大鼠运动和行为影响的观察和测试  75-76
    2.5 组胺对正常大鼠运动和行为的影响  76-79
    2.6 数据分析  79
  3 结果  79-91
    3.1 组胺对底丘脑核神经元的作用  79-84
    3.2 组胺H_2受体在大鼠底丘脑核神经元上表达  84-85
    3.3 组胺对PD模型大鼠运动行为的影响  85-88
    3.4 组胺对正常和PD模型大鼠底丘脑核神经元放电频率与放电模式的影响  88-90
    3.5 组胺组胺对正常大鼠的运动行为的影响  90-91
  4 讨论  91-96
  参考文献  96-100
攻读博士学位期间发表和待发表的研究论文  100-101
致谢  101-102

中枢组胺能神经系统对小脑顶核及底丘脑核神经元活动调控作用的研究

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