持續性內向電流對運動調節的研究進展與展望

王星宇

1 PIC的簡介及其功能

1.1 PIC的研究歷史

大量研究表明持續性內向電流（Persistent Inward Current，PIC）作為調控神經元持續、重復的興奮的主要來源，廣泛存在于中樞神經系統中［1-6］。Schwindt和Crill于1977年首次描述了在哺乳動物的運動神經元上描述了PIC［7］，緊接著于1980年兩位科學家推斷PIC的主要成分為Ca電流［8］。而之后一篇關于PIC可以調節中腦區神經元釋放與運動相關的五羥色胺和去甲腎上腺素神經遞質讓人們把視角聚焦于PIC對運動的調控研究上［9］，隨后的30多年中大量研究，有關PIC調控運動神經元的輸入輸出已取得了長足的進步，包括單獨對運動神經元的非線性調節以及從中樞神經系統到肌肉之間的修飾作用。本文將目前對PIC調節運動相關的研究做一個總結，并提出目前尚未解決的一些問題，供后續研究參考。

1.2 PIC的功能

目前的研究中發現PIC主要有四種類型，包括對二氫吡啶敏感的Ca電流（包括Cav1.2和Cav1.3兩種亞型）、對河豚毒敏感的Na電流［10］、對以上兩種阻斷劑均不敏感的TDRPIC［11］以及由N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）介導的突觸電流［12］。其中Ca電流（Ca-PIC）和Na電流（Na-PIC）是PIC最主要的組成成分。不同的PIC對運動神經元的調節作用并不相同，PIC的功能可以總結為放大突觸信號［13，14］、使輸入達到飽和［15，16］、產生磁滯現象［17，18］、易化作用［20，21］以及直接參與調控運動的產生和節律的控制［12，22］等。本節結合最新的文章［23］將以上功能總結為表1的形式。

表1 PIC對運動神經元的調節功能總結表

2 PIC對人類運動神經元輸出調控

對于PIC調控人的運動神經輸出可以從一些人的運動單元呈現的放電模式與PIC的功能相似的實驗中推知［24，25］，如前文對PIC功能的描述，PIC主要具備放大、飽和以及磁滯現象，而以上對于在動物實驗中出現的現象同樣出現在了人類的運動單元響應中，首先PIC的激活會使運動單元的驅動力顯著增大，并導致運動神經元的放電頻率快速增加。其次磁滯的現象可能反映著Ca-PIC通道開放所需的時間，一旦Ca-PIC完全激活，PIC對輸入的敏感性將逐漸降低，從而達到類似動物實驗中出現的飽和或平穩狀態，這種狀態具備隨著Ca離子濃度增加而持續維持，這使得運動神經元具備抗失活能力。同樣運動神經元的放電速率曲線也顯示除了顯著的磁滯現象，這種磁滯使得運動神經元的募集水平遠高于去募集水平，PIC的促進和延遲也表現在短暫的興奮性輸入后的持續放電。

以上描述的PIC對運動的調節（包括放大、飽和、磁滯）都在被證實存在于人體的運動單元中，除此之外，研究還表明短暫的興奮輸入導致神經元持續激發的現象也存在于受試者的運動單元上［26-28］。并且除以上與動物實驗類似的實驗現象外，最新研究證實了人類運動單元的放電速率突增是由于PIC的快速激活引起的，并且證實了激活速率飽和是由于神經元樹突上的PIC去極化導致的［29］。與貓的實驗相同的是，人的運動單元在達到飽和狀態時也對外部輸入變得不敏感［30］，以上均在不同角度說明人的運動單元與PIC的調控有著千絲萬縷的聯系。

在2015年的一篇研究中提出了一種新的方法用于估計人類被試的PIC大?。?1］，該方法主要使用了觀測人類運動單元輸出的募集和去募集差值，該差值體現了PIC磁滯現象導致的頻率之差，因此被稱為ΔF技術，該方法現以被用作估計腦干單胺能的輸入強度。

從人類日常的運動角度來看，PIC對控制運動的神經信號的放大和保持持續是最重要的方面。從貓的實驗中我們可以推知自持續放電對于控制姿勢的維持尤為重要。于此同時PIC對突觸輸入的放大作用也是調控軀體運動系統輸入輸出增益的手段，PIC提供了一種低輸入高增益的運動調節機制。對于產生短時間產生較強力量的運動，PIC可能在其中扮演著極為重要的角色，目前人類被試的實驗也為這一假說提供了一致的證據［32］。

根據以上大量的研究數據為線索，可以推測通過單胺類神經遞質的興奮和抑制可以靈活地控制PIC，從而進一步使運動單元產生多種響應。通過人與動物實驗如此多的共同點，可以猜想神經元興奮性與廣泛的運動模式存在一定的統一性，即興奮性與運動輸出是相匹配的。

3 研究展望

截至目前，PIC已經被研究了40余年，其在運動控制的作用一直是研究者們關注的重點。對于從機制的角度了解運動本身來講，由于PIC對運動調控具有直接且重要的調節作用，因此了解并研究PIC是非常重要的研究。但目前對于復雜運動的興奮變化與PIC的功能的精確匹配仍沒有找到明確的方法，所以在未來的研究中，無論是從模擬還是生理實驗的角度都需要做更為復雜和精準的研究。其實，ΔF技術現雖然已被廣泛的使用，但實驗表明不同肌肉的ΔF差異非常大［33］，但目前仍不清楚該差異在運動控制中有著怎樣的意義，在未來的研究中可能需要大量的關于人體各個肌肉的ΔF的統計，才能更充分地了解這種差異背后的功能。最后對于PIC而言，TDRPIC作為一種特殊的PIC在運動調節中有著怎樣的作用也是目前研究尚待解決的問題。