轴突动作电位的发动

20世纪50年代对脊髓运动神经元的先驱性工作表明，动作电位是在轴突始段发生的，也可能是在第一个郎飞结。运动神经元的记录发现，动作电位有两个组成部分。一个是轴突始段（IS）成分，它出现在完整的动作电位之前；第二个是在胞体发生的，是胞体-树突（soma-dendrite，SD）成分。不管动作电位的产生机制如何，比如是逆向刺激的还是直接用电流注射刺激的，抑或是突触刺激的，这两个成分都可以分解开来，但是用电压的一阶导数可以得到最好的分辨。IS成分特别强，可以与SD成分区分开来，通过逆向刺激轴突。采用双电极刺激范式（double-shock paradigm），在刺激间隔很短的情况下SD成分会失败，但IS成分不会失败。有作者报道，同时记录龙虾牵拉感受器神经元轴突与胞体的多个位点，则电脉冲先发生在离胞体有一定距离的轴突部位［4］。

到了20世纪80和90年代，以上经典观点受到了挑战。因为有实验观察表明，在特定条件下，动作电位可以在树突发生。由于90年代研究方法的发展，研究者能够在同一神经元的不同位点同时应用膜片钳记录。这种实验特别珍贵，可用来研讨动作电位发生的位点问题。事实上，有几个互相独立的研究汇聚到一个看法：当用强电震刺激树突时，树突能够产生由电压门控钠通道及/或钙通道所负责的再生性锋电位。树突锋电位产生在胞体动作电位之前，这在新大脑皮层神经元、海马神经元以及在小脑神经元都有所报道。然而，用阈刺激来刺激不同类型的神经元时，是在神经元区隔优先引导出钠锋电位，而它是直接连接到轴丘的。因此目前的看法是，对于钠锋电位的产生，轴突是低阈值发动区域，这个发动位点的准确定位仅仅由近来直接记录轴突才得到［4］。

确定动作电位发动的区域，对神经元的生理学特别重要。经典的看法是，就神经元的范围而言，动作电位是信息整合的最后步骤。哺乳动物中枢神经系统的许多神经元，编码而且传送信息，靠的是动作电位。例如，动作电位的时机（timing）传达有关感觉和运动功能的相应信息。此外，动作电位的发生在中枢神经元里也受多种活动依赖可塑性的调节。因此，神经回路的信息加工，在很大程度上依赖于神经元的锋电位如何产生，何时产生以及在哪里产生［4］。

近来的技术进展允许应用松散膜片钳（loose-patch）或全细胞程序，在哺乳动物神经元的单轴突上进行记录，同时应用电压敏感染料或钠成像。这些技术提供了有用的方法，以准确地确定锋电位发生的区域。记录显示，钠锋电位经常在轴突上产生，并产生在胞体之前（图2-4）。具体地说，这个发生区被估计是轴突区。在那里，锋电位超前于胞体锋电位的时间是最长的（图2-4）。此外，鉴定表明爆发锋电位产生于轴突，而胞体不太容易产生［4］。

图2-4　轴突始段锋电位的发生（彩图见图版此处）

（a）用生物胞素（biocytin）标记的两个第Ⅴ层（L5）锥体神经元的共聚焦成像，注意特征性鼓起来的一端是损伤轴突，这种鼓起在文献上叫作疱鼓（bleb）。（b）L5锥体神经元全细胞质膜上双重胞体轴突的疱鼓记录。左边，记录模式；右边，记录到的动作电位；胞体记录，黑色；轴突记录，红色。（c）确定动作电位发生时间差别的模式图，轴突锋电位和胞体锋电位的时间差作为轴突距离的函数，原点是胞体。在始段得到轴突锋电位的最大前进，也即锋电位发动区。直线段的斜率给出一个图解式显示，用来估计沿轴突传导的速度。（图引自［4］）

有髓轴突的动作电位在始段发生，按照细胞类型的不同而不同。在第Ⅴ层锥体神经元，发动区位点离胞体约15～40 μm。动作电位的发动区位于始段远侧部，离开轴丘约35～40 μm。在海马下脚（又称下托）锥体神经元上得到了类似的估计，测出来的动作电位发动带位于离开胞体40 μm处，比始段远一点。为什么有髓纤维的轴突动作电位发动位点，在始段和第一个郎飞结之间波动？关于此的准确理由还不清楚，有可能是由于异源性的NaV、KV通道分布不同，也可能由于存在着锋电位发动的异位区。在小脑浦肯野细胞的轴突，此问题还有争论。直到近来同时做了胞体部位的全细胞记录和轴突部位的细胞接触记录，根据潜伏期的差别，才发现动作电位的产生是在第一个郎飞结，距离是75 μm。另有实验，其结论是锋电位的发生位于轴突始段，离开胞体约15～20 μm处。作者们认为是在始段，该处非常敏感于局部低浓度的河鲀毒素（tetrodoxin，TTX）。近来应用非侵入性技术所得到的结果支持上述看法。在前面两个研究中，对两种结果差别的原因已经弄清楚。事实上，轴突始段的细胞接触记录并不是合适的，因为有电容性电流及离子电流互相覆盖，不容易做到锋电位发源点的鉴定［4］。

在无髓轴突，发动区被鉴定在离开轴丘20～40 μm处。在CA3区锥体神经元，动作电位的发动区位于离开胞体35～40 μm处，也有人报告了更短一点的距离。在海马颗粒细胞轴突，发动位点估计是在离开轴丘20 μm处。经过计数标记钠通道数目以及标记锚蛋白G的定位，这种比较靠近的锋电位发动区被证实都定位于离开轴突最前的20 μm处。对这种非常靠前定位的可能解释是，因为这种颗粒细胞轴突直径非常细，不过是0.3 μm，这样就增加了胞体与近端轴突区隔的电紧张距离，从而能够把发动区与胞体隔离开来［4］。

“全或无”动作电位的基本特征是，达到阈值时就引起锋电位。有多个证据表明，神经元的放电阈值可能不是由单个数值决定的。最早的研究者是法国人L. Lapicque，他考察了去极化时间所起的作用：当作用时程增加时，阈电流降低。根据Hodgkin-Huxley的膜方程，有两位作者鉴定了锋电位的阈值。阈值的定义是在此电压下，累加的内向膜电流超过外向电流［4］。

与确定电流阈值不同，只有当个别神经元的细胞内记录可以实现时，神经元的电压阈值才可以确定。由于神经元的几何形状复杂，问题就产生了。在20世纪50年代人们问：整个神经元动作电位的阈值是均匀一致的吗？由于锋电位发生在轴突，因此有假定认为，轴突始段的电压阈值约低于10～20 mV（更超极化）。因为长期以来是从轴突直接记录，胞体的记录很长时间没有做，所以也没有证据来反对这种看法。往后，有几个作者直接用膜片钳记录始段，得到了漂亮的结果，解决了这个问题。实验显示，引起动作电位的电流阈值在始段是明显低的（图2-5），但是如果把电压阈值定义为膜电位的一个值，在这里电压变化速率（即一阶导数）的值超过了一个点，约为10～50 V/s，那么电压阈值在轴突里面是特别高的。这似乎有点令人吃惊。出现这种违反直觉的实验结果，是由于在动作电位刚刚发动之前，始段的钠通道驱动了一个局部去极化的电压变化，这个电压变化在传向胞体或轴突本身时，经过一个短距离就衰减了。于是就有了一个印象，在这里的电压阈值是高的（图2-5）。在对始段局部给予TTX之后，这个局部电位即消失，从而始段的局部电压阈值实际上是低的。换句话说，在始段以外区域测量的是一个传播着的锋电位的阈值，而正好就在这个区隔测定的则是胞体-树突（SD）组成成分的阈值。微妙之处还在于有一些不太寻常的建议，认为在动作电位发动时，存在着钠通道的门控，其原因可能即在于此。事实正是这样的，胞体动作电位实际开始的时间似乎比根据Hodgkin-Huxley模型推断的要快一点［4］。

图2-5　轴突始段的锋电位阈值最低（彩图见图版此处）

（a）L5锥体神经元轴突始段的高电压但低电流阈值。左边：在动作电位处于阈值的时候，电流注射入始段（蓝）或胞体（黑）时的重叠电压反应，注意把始段去极化的电压阈值与胞体相比较。右边：在始段（空心圆）或在胞体（实心圆）电流注射所引起的注射电流平均幅度与动作电位发生概率之关系，注意始段的低电流阈值。（b）由始段钠通道介导的慢、去极化斜坡（ramp），但在胞体上是没有的。左边：由模拟兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic current，EPSC）注射在胞体上引起的动作电位，以及同时在胞体（黑）及始段（蓝）上的记录。中间：在TTX（1 μm）条件下的同样记录。右边：在对照（青灰）及TTX（红）条件下轴突始段和胞体的电压差，发现在锋电位发动之前，始段有一个去极化坡度。（图引自［4］）

锋电位的阈值并非一个固定点，而是一个电压门控的范围。例如，根据活体新大脑皮层神经元胞体内注射的记录，发现动作电位的阈值是高度可变的。通常对这个行为的第一个解释是通道的噪声，即通道有一些电流导通。事实上，当膜电位接近阈值的时候，动作电位的发生是随机的，因为实现钠锋电位的电压门控通道的开放是一个随机过程，电压门控通道的数目还不够多，这就足以允许通道噪声被忽略［4］。

但是，此观点近来受到新实验结果的挑战。实验表明，在胞体上出现的大的锋电位变异，是由于动作电位从轴突始段产生以后逆向传播到胞体，当神经元接受带有噪声的一串输入时。事实上在锋电位发动的地点，也就是在始段，锋电位产生的变异是小的，但当锋电位逆向传播到胞体时，变异性就增加了。这种行为并不依赖于通道噪声，因为它可以被Hodgkin-Huxley模型所复制。锋电位阈值升高的表观（apparent）变异，事实上是由于在锋电位传播的时候，锋电位和阈下波形频率成分在时间关系上被重新调整［4］。

同步的群体性活性对于不同脑区的许多功能都是需要的，包括感觉加工、空间移动、突触可塑性。神经元网络活性的时间组构，显然依赖于突触以及网络内其他部分的时机。轴突始段是决定个别神经元锋电位发放准确时机的部位。近来，这些决定时机准确性的道理，开始显露出苗头。具有削尖（sharpen）生物物理特征的外向电压门控电流如EPSP，可以缩短动作电位被触发的时间窗，因而增强锋电位的准确程度；相反，减少去极化速率的外向电流，导致锋电位产生的准确度降低。在这里当慢电压波动时，锋电位的高波动可能是由于阈值附近的通道噪声。可能很重要的是，利用近来发展的轴突记录技术，将来能够确定这些电流如何使得始段的电压成型［4］。