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生理学杂志。2001年5月15日;533(第1部分):91–97。
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PMID:11351017

哺乳动物脊髓中的神经营养素和突触可塑性

摘要

介导单突触牵张反射的通路已成为研究脊髓可塑性的重要模型系统。有证据表明,神经营养素,特别是神经营养素-3(NT-3),能够促进脊髓轴突的伸长,在外周神经损伤后和发育过程中调节肌梭-运动神经元连接的功效,从而扩大了其用途。这里总结的研究结果强调了神经营养素修饰受损和未受损神经元功能的潜力。重要的是要认识到,这些影响可能在功能上有害,也可能有益。

神经营养素(神经生长因子(NGF)、脑源性神经营养因子(BDNF)、神经营养素-3(NT-3)和神经营养素4/5(NT-4/5))构成一个分子家族(Thoenen,1991年)这在脊髓损伤后恢复研究中发挥了重要作用。这源于对其在发育过程中的作用的评估,在发育过程中将其作为感觉和运动神经元的分化和存活因素(在孟德尔,1995年麦克马洪等。1996). 在成年人中,它们促进受损的中枢轴突生长(Schnell公司等。1994等。1995麦克提格等。1998). 神经营养素通过与靶细胞膜上的低亲和力和高亲和力受体结合而发出信号。低亲和力p75受体结合所有神经营养素(在博思韦尔,1996年). 神经营养素还通过三种高亲和力酪氨酸激酶受体(称为trk受体)发出信号,其亲和力如下:NGF:trkA;BDNF和NT-4/5:trkB;NT-3:trkC(Thoenen,1991年).

神经营养素也可以对出生后的动物产生生理作用。其中一些可能有助于提高突触效能(见下文)。然而,它们也可能引起有害的副作用。例如,据报道,NGF和BDNF会引起痛觉过敏和痛觉超敏(克尔等。1999孟德尔等。1999). 在这里,我们回顾了这些药物的一些生理作用,这些作用可能支持或减轻它们在促进功能恢复方面的使用。我们主要研究由纺锤传入(Ia组)纤维在运动神经元中诱发的单突触兴奋性突触后电位(EPSP)。该通路在研究中枢突触传递和脊髓损伤后突触功能的变化方面是一个重要的模型系统(孟德尔,1988年).

NT-3在感觉受体发育中的作用

当NT-3被提供时,标记的大直径肌肉感觉神经元在培养中选择性存活,证明了NT-3作为纺锤体传入纤维在发育过程中的存活因子的作用(霍里·李等。1993),使用NT-3抗体进行产前治疗后,投射到运动神经元池的肌肉传入选择性丢失(奥克利等。1995)NT-3或trkC基因突变无效的小鼠肌肉传入细胞无法存活(斯奈德,1994)以及引入NT-3基因后对NT-3基因敲除小鼠纺锤体的挽救(赖特等。1997). 最近的实验表明,缺乏NT-3/trkC信号的动物从不向肌肉发展本体感受传入投射(库塞拉等。1995)提示NT-3可能影响分化和生存(奥克尔等。1996).

NT-3在成人的肌梭中表达(Copray&Brouwer,1994年)它可以纺锤体传入纤维为它们提供能量。现在有大量证据表明,外源性给予NT-3可以影响Ia组纤维的特性,其功能在发育期间或损伤后发生变化。

NT-3在轴切断术后挽救纺锤体传入功能

当肌肉神经被切断时,传入纤维及其在完整运动神经元(即异名运动神经元)上形成的连接都会发生功能的显著下降(综述于Titmus&Faber,1990年). 轴索切断的传入纤维降低了传导速度(柯林斯等。1986蒙森等。1999)逐渐对钝性探测和轻微拉伸神经瘤失去敏感性。它们也失去了对缓慢调整排放以适应稳定压力的能力(蒙森等。1999). 当传入神经重新激活肌肉时,所有这些特性都会恢复正常(约翰逊等。1995)或者即使它们通过交叉吻合误入皮肤(约翰逊等。1995). 因为NT-3的mRNA在肌肉和皮肤中都表达(Schechterson&Bothwell,1992年)传入纤维表达trkC受体(麦克马洪等。1994),NT-3是调解这一复苏的候选者。与此一致的是,在60μg天时使用NT-3−1在成年猫中,通过渗透微型泵到达切断的外周肌神经的中央端,可以逆转这些传入神经的传导速度下降和机械阈值升高(蒙森等。1999图1). 然而,NT-3对传入纤维功能的要求尚未通过证明中和内源性NT-3后完整纺锤体传入纤维的功能丧失得到证实(参见“NT-3对发育纺锤体传出纤维的作用”)。

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NT-3对轴索切断的Ia组传入纤维传导速度和诱发EPSP振幅的影响

顶面板,成年猫实验示意图。将含有NT-3的渗透性微型泵放置在轴切的腓肠肌内侧(MG)神经上,会影响轴切的MG感觉和运动轴突。在完整的外侧腓肠肌-固(LGS)运动神经元中检测对轴切、处理的MG传入神经刺激的反应。还测量了轴切MG运动神经元对完整LGS传入纤维的反应。底部面板,处理传入;完整的运动神经元。每个符号表示单个实验中大肌肉传入纤维的平均EPSP振幅(纵坐标)和传入传导速度(作为完整神经值的%)。数字表示轴切开后的天数。在对照组(开放符号:神经或神经营养素全身给药的载体),轴切断后传导速度和EPSP振幅逐渐下降。NT-3(填充符号)后,EPSP振幅增加,传导速度在初始下降后恢复到100%。*未手术猫的平均值。虚线表示完整猫EPSP振幅的平均值。数据来自孟德尔等。(1999).

轴索切断的纺锤体传入纤维在完整运动神经元中诱发振幅降低的EPSP(戈德林等。1980孟德尔等。1995,1999). 如果传入纤维在肌肉或皮肤中重新获得外围连接,这种下降就会逆转(孟德尔等。1995). NT-3已被发现可以替代外围目标重建正常的中心投影(蒙森等。1997孟德尔等。1999). 令人惊讶的是,刺激处理后的传入纤维所引起的复合EPSP的振幅下降不仅被阻止了,而且EPSP的幅度也大大大于正常值(图1). 这表明,如果NT-3通常参与维持中枢投射,那么它要么与其他因素协同作用,要么所提供的NT-3剂量(持续时间和/或浓度)不合适。功能恢复需要持续输注NT-3,因为5周后取出泵会导致EPSP振幅和轴突传导速度在3-22天后下降到长期轴切断的特征值(孟德尔等。1999).

与完整的传入纤维相比,经NT-3处理的单个轴切断传入纤维在异名运动神经元池中诱发更多EPSP(孟德尔等。1999). Ia纤维功能连接的增加与最近提出的一个假设一致Chen&Frank(1999)他认为运动神经元释放NT-3可能为Ia传入纤维提供“停止和树状化”信号。这是在Ia轴突生长到脊髓与运动神经元突触的发育过程中提出的。在成年动物中,可以推测外周血供应的NT-3在转运到细胞体后以类似的方式发挥作用,尽管当时脊髓中可能很少发生轴突伸长。

进一步证明NT-3有能力恢复受损Ia传入纤维的特性的证据来自顺铂(Gao)诱导的大纤维神经病变模型等。1995年)或吡哆醇(赫尔格伦等。1997). 这些研究提供了证据,证明这些治疗导致的本体感觉损失可以逆转,如在窄束上行走的准确性、使用H反射和Ia组传入纤维的传导速度进行电生理测试等任务中的行为测量,并通过测量外周神经和背柱中大直径轴突的口径进行解剖学研究。

神经营养素对成年猫的影响非常特殊。在NT-3对Ia传入纤维及其向运动神经元的投射产生实质性影响的相同制剂中,对同一肌肉神经的突触输入或投射运动神经元的性质没有改变(但见Gonzalez&Collins,1997年蒙森等。1997b条). 此外,另一种神经营养素,NT-4/5,以与NT-3相同的方式应用,实际上对Ia组传入纤维及其中央投射没有影响。

NT-3对纺锤体传入纤维发育的作用

在新生大鼠脊髓中也进行了类似的电生理分析,其中感觉纤维(可能是肌梭传入纤维)的单突触投射仍在发育中(Seebach&Mendell,1996年). 出生后第0天、第2天、第4天和第6天全身给予NT-3,1-3天后在运动神经元中测量刺激背根(DR)引起的单突触EPSP(图2). EPSP振幅大于对照动物(西巴赫等。1999). 当融合分子trkC-IgG耗尽内源性NT-3(谢尔顿等。1995),按照与NT-3相同的时间表给药,单突触EPSP的振幅降低到对照制剂的值以下(图2). 因此,NT-3是单突触体EPSP正常发育所必需的。与NT-3相比,外源性BDNF降低了单突触体EPSP的振幅,而用trkB-IgG耗竭内源性BDNF-则增强了其振幅。这与BDNF对α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体反应的直接抑制作用的最新发现相一致(巴尔科维奇等。2000)尽管不能忽视BDNF的突触前作用(V.L.Arvanov和L.M.Mendell,未发表的观察结果)。

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大鼠出生后第一周全身注射NT-3或trkC-IgG可改变单突触EPSP的振幅

顶面板,新生大鼠在出生后第0、2、4和6天接受NT-3全身治疗。出生后第8天,对脊髓半横断进行了研究体外试验。底部面板,对照组、NT-3治疗组和trkC-IgG治疗组动物的EPSP振幅分布。更多细节见正文。数据来自西巴赫等。(1999).

NT-3在脊髓中的直接作用

在对成年猫轴切传入纤维的NT-3研究中,其作用部位可能是传入纤维本身,因为NT-3治疗在直接传递到外周神经切断端时有效,但在全身传递时无效(孟德尔等。1999). 在新生大鼠中,情况不太清楚,因为NT-3是在非常小的大鼠(2-15g)中全身递送的,并且血脑屏障仅在出生后第14天建立(Tonra&Mendell,1997年). 因此,NT-3可能直接作用于脊髓神经元,如海马(例如。Kang和Schuman,1995年).

应用NT-3对新生(0-1周)大鼠分离的半横断脊髓进行液体灌注,可在分钟内增加DR-激活的单突触AMPA/红藻氨酸受体介导的EPSP的振幅(阿尔瓦诺夫等。2000). 这种增加在NT-3冲刷后至少持续数小时。NT-3诱导的增加需要活性物质的存在N个-甲基-d日-天冬氨酸(NMDA)受体,因为它被NMDA受体拮抗剂2-氨基-5-磷酸(APV)阻断。关键的NMDA受体位于运动神经元膜上,因为如果NMDA通道阻滞剂MK-801通过微电极注入运动神经元,则增强作用被消除。在河豚毒素存在的情况下,NT-3还能增强新生儿运动神经元对浴液中NMDA的反应,以消除间接突触反应(阿尔瓦诺夫等。2000)表明NT-3直接增强NMDA受体的反应。NT-3和NMDA受体相互作用存在几种潜在机制:通过NMDA受体的甘氨酸位点(贾维斯等。1997)或第二信使级别(等。1997).

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急性给药NT-3对运动神经元EPSP振幅的突触选择性影响

用于NT-3急性效应研究的顶部面板和电极布置体外试验。下图,NT-3灌注后DR和VLF刺激在同一运动神经元(通过腹根逆行反应(VR)识别)中诱发的EPSP振幅的平均变化(n)= 5). 注意DR-诱发EPSP的变化和VLF-诱发EPSP缺乏变化。来自Arvanov的数据等。(2000).

NMDA受体介导NT-3作用的其他证据来自其作为突触输入和年龄功能的作用的特异性(Arvanian&Mendell,2001年). NT-3增强DR-voked EPSP的运动神经元也对单突触AMPA/红藻氨酸受体介导的EPSP刺激腹外侧束(VLF)下行纤维作出反应(Pinco和Lev Tov,1994年). 然而,NT-3不能增强这些EPSP,1周以上动物的DR或VLF刺激也不能诱导EPSP。NT-3增强和不增强的EPSP之间的区别在于,前者也与突触NMDA受体介导的反应相关,而后者则不相关(阿尔瓦诺夫等。2000Arvanian&Mendell,2001年). 初步数据表明,镁的去除2+洗浴液中的镁离子被去除,从而显著增强NMDA受体介导的反应2+NMDA受体阻断(奥尔特等。1980). 同时,AMPA/红藻氨酸受体介导的反应更容易被NT-3急性增强(Arvanian&Mendell,2001年).

讨论

从NT-3对成年猫受损Ia轴突的影响来看,鞘内注射NT-3可以促进轴突的生长和感觉纤维的发芽(拉梅尔等。2000). 因此,轴索切断的传入神经可以为研究神经营养素对受损脊髓神经元的影响提供一个有价值的模型。虽然NT-3需要持续维持Ia纤维的恢复(见上文),但其维持完整轴突的必要性尚不清楚。因此,尚不清楚NT-3对轴索化传入纤维的影响是对正常营养作用的夸大,还是代表发育过程中运行机制的恢复。这种区别对于理解潜在机制以及预测未受损的轴突是否也会受到外源性神经营养素的影响都很重要。例如,当在脊髓中外源性注射NT-3以促进脊髓轴突伸长时,如果NT-3影响未受损的纺锤体传入纤维,它可能会加强拉伸反射通路。这可能会加剧痉挛,这是脊椎损伤患者面临的一个严重问题。

NT-3通过NMDA受体对单突触体EPSP的急性作用可能代表了一种机制,即NT-3在活动驱动的可塑性中发挥作用,而活动驱动可塑性被认为在神经元连接的发展中很重要(例如。Carmignoto&Vicini,1992年赫斯特林,1992年). 新生动物经trkC-IgG中和内源性NT-3后EPSP大小减少(西巴赫等。1999)表明NT-3对出生后第一周发生的单突触反射的发展是必要的(Seebach&Mendell,1996年). 这就提出了一个问题,即NT-3通常来自哪里。运动神经元表达NT-3 mRNA(巴克等。2000); 因此,NT-3可能是组成性释放的(法尔哈迪等。2000)进入Ia纤维/运动神经元突触附近。我们很想知道NT-3驱动的AMPA/红藻氨酸反应的增强是否可以在成人脊髓中使用允许NMDA受体恢复功能的程序来恢复,例如通过去极化靶细胞来清除Mg2+块。这可能是运动改善受损脊髓功能的机制(埃杰顿等。1997).

突触活动在NT-3驱动的AMPA/红藻氨酸受体介导的反应增强中的作用尚不清楚。据报道,EPSP的C纤维背根NMD能成分(但不是AMPA/红藻氨酸受体介导的成分)对重复刺激有增强作用(Lozier&Kendig,1995年),尽管神经营养因子对此的影响尚不清楚。

NT-3在增强单突触体AMPA/红藻氨酸受体介导的EPSP振幅方面的一致急性和慢性作用与BDNF对同一系统的作用形成鲜明对比。新生儿长期应用BDNF导致单突触EPSP抑制(西巴赫等。1999). 最近的研究表明,急性应用BDNF于髓质神经元的膜贴片可降低其对AMPA的反应(巴尔科维奇等。2000). 然而,BDNF被认为可以增加脊髓神经元的NMDA能反应(克尔等。1999; V.L.Arvanov和L.M.Mendel,未发表的观察结果),可能是通过对酪氨酸磷酸化的影响(McGlade-McCulloh公司等。1993等。1998). 鉴于NMDA受体的激活增强了AMPA/红藻氨酸受体的反应(阿尔瓦诺夫等。2000)因此,BDNF可能对AMPA/红藻氨酸反应具有双重作用,即直接抑制作用和间接兴奋作用。这种“推挽”机制可能使BDNF对运动神经元中AMPA/红藻氨酸受体的敏感性产生强烈影响。

总之,现在很清楚,神经营养素是天然存在的物质,可以对正常发育产生强大的影响,并鼓励损伤后的功能恢复。他们的生理行为可以增强其促进功能恢复的作用,但也可能导致不良副作用(例如疼痛、痉挛)。这些考虑表明,有必要全面了解它们的生理学和营养作用,以便充分利用它们为促进受伤脊髓的恢复提供的机会。

致谢

本综述中描述的作者工作的主要支持来自NIH:NS 16996 to L.M.M.和NS 15913 to J.B.M.。Christopher Reeve瘫痪基金会脊髓损伤联合会(L.M.M)和NS 39420(L.M.)提供了额外支持。我们感谢Regeneron Pharmaceuticals,Inc.提供NT-3和BDNF,以及Genentech,Inc.提供的NT-4/5。

维克托·阿尔瓦尼安(Victor L.Arvanian)的前身是维克多·阿尔瓦诺夫(Viktor L.Arvarov)。

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