细胞组成成分的力学特征

质膜的磷脂双层给出脑的许多黏弹性特征。质膜是动态的，它在广阔的时间和长度尺度上经历着结构变化，从纳秒/纳米级到微级（microscopic）（微秒/微米）和中级（mesoscopic）（毫秒/毫米）。磷脂在脂双层中有侧向弥散，其弥散常数的数量级为纳秒，每10～20 ns它们实现一次跨非对称（trans-gauche）的异构化作用（isomerization），而且以纳秒时间尺度发生转动、旋转或者晃动（wobble）。质膜对力的反应，以应变的非线性函数随时间而改变。这表明，质膜是黏弹性的，或者是非牛顿液体。在这里，磷脂双层反映质膜是一种Maxwell物质，这种物质显示频率依赖的张力和黏度的变化；随着黏弹性的张弛（relaxation）时间，其尺度为数十毫秒［5］。

作为对力的反应而产生的质膜变形，可以用它们的压缩（KC）、面积扩张（KA）、弯曲（KB）等模量加以描写（图9-1b）。在各种情况下，大的模量表示对变形力的阻力大，而小的模量表明阻力小。在与神经元有关的活性条件下，膜变形可以在毫秒时间尺度上影响离子通道活性（图9-2a，参看9.2.7）。质膜的基本黏弹性特征大致上可以归纳为KB＜KA＜KC（这意味着，对弯曲力最敏感，对压缩力最不敏感）。神经元质膜对弯曲变形的极端敏感性，介导了它的外排和重新回收小泡的能力，以及神经元在生长和运动时对感受到的推动力量及排斥力量所作出的反应。内源性的神经元膜黏弹性特征，又进一步受细胞骨架元素的影响，这些元素在细胞内为神经元提供了结构张力［5］。

图9-2　离子通道活性对膜机械力学敏感

（a）研究机械力如何影响离子通道活性的一般性途径。显示一个经修饰的压力膜片钳（pressure-clamp）实验。在此，应用常用的内-外或外-外膜片钳方法记录单离子通道活性（左）。外加负压（吸）于膜上，可记录到机械敏感通道（MSC）活性的增加（中间）。通道的开放概率（P开）可以用压力作用到膜的函数来代表（右）。（b）静息条件下质膜上的一个离子通道（上左）。膜的扩张、压缩、弯曲和张力可以引起离子通道构型的变化，调控其开放及膜电导。（图引自［5］）

开始时，细胞质被描写为具有黏性和弹性特征。有关的实验联合应用光学显微镜和力产生方法。在力的产生上使用磁场操控埋藏在原生质中颗粒的方法。由于W. Seifriz在1924年所做的先驱性实验观察，最终导致了一个认识，即细胞拥有某种类型的细胞骨架。今天我们知道，肌动蛋白纤维是细胞骨架的一部分，它显示动态结构的可塑性，而其功能是作为力转导物的三维阵列。肌动蛋白单体（G-肌动蛋白）可以聚合成为肌动蛋白多聚体（F-肌动蛋白）。F-肌动蛋白产生机械力，此力对许多细胞过程都是重要的。例如，当细胞发生内吞和胞外排过程时，细胞膜发生鼓出和推进，对抗质膜的张力和变形变化，并作为分子的张力感受器来调节细胞内稳态的诸多方面。肌动蛋白产生力的能量需求由G-肌动蛋白与F-肌动蛋白之间的化学能量差来提供。当G-肌动蛋白达到一个关键（临界）浓度时，那时单聚体肌动蛋白的自由能超过了F-肌动蛋白的自由能，此时肌动蛋白多聚化随即发生，因为所需能量差的要求已经满足。

当多聚化的肌动蛋白纤维靠近生物学负荷时，例如在质膜中，肌动蛋白纤维就产生推力（Fp）及热波动，这使得G-肌动蛋白单体能够不断地整合与进入F-肌动蛋白。这种肌动蛋白的延长被认为类似于“Brown棘轮”（Brownian ratchet），因为随机热力学波动使得F-肌动蛋白多聚化呈现齿轮样搅拌。F-肌动蛋白的伸长将继续发生，直到在热动力学的限度范围里，对抗性的负荷力量止住多聚化的过程。这个限度通常被称为停顿力（Fs≈1 pN）。除了停顿，肌动蛋白也可以在其他（Fb）力作用下变形，允许它沿着边界继续延伸（图9-1b）。当F-肌动蛋白纤维束从不同的角度接触表面负荷，并连续实施分叉的形成和伸长时，它可以产生数千帕（1 kPa＝1 nN/μm2）的力。肌动蛋白的运动蛋白（如肌球蛋白）、GTP结合蛋白（如Ras、RAC、Rho、CDC42）以及一系列其他的蛋白质，可通过不同机制影响肌动蛋白所产生的力［5］。

肌动蛋白产生的力可以调节轴突生长锥的动力学。生长锥具有低弹性模量（E＝106±21 Pa；1 Pa＝1 pN/μm2），可以产生数量级为30 Pa的内部应力。当肌动蛋白在生长锥前沿多聚化时，生长锥开始在它们的生长环境中形成局灶性黏附。作为一个力发生器，生长锥是脆弱的（也就是说，它们不能够产生高机械应力），也是软的（也就是说，它们不硬或不坚固），这使得它们对于环境中的机械特性特别敏感。F-肌动蛋白逆向流的动力学可以突然改变，从而加速生长中鸡胚胎前脑丝状伪足的运动，当它们碰到一个具有约1 kPa硬度的底物（substrate stiffness）的时候。这些特点可能鼓励力学性调整的突触形成（参看9.3.2）。在突触后一侧，肌动蛋白是树突棘形成及树突棘可塑性的一个确定的调节者。然而，有关在树突棘工作而得到某种后果时肌动蛋白如何在空间及时间上进行力学分布的定量描述资料，仍然缺少。神经科学可以运用力学生物学研究的实验方法，在这个领域开始架设桥梁（参看9.5）［5］。

树突棘的可塑性也受血影蛋白的影响。血影蛋白是一种细胞骨架蛋白，形成弹簧样四聚体，并可以与肌动蛋白相互作用，从而帮助维持细胞的完整性、稳定性及弹性（图9-1a）。小脑浦肯野细胞为了形成树突和树突棘，关键性地需要血影蛋白的βⅢ同工分子，而β1血影蛋白可以调节CA1区海马树突棘的运动度以及AMPA受体电流的幅度。尚不清楚的是，由血影蛋白所介导的力学后果，在多大程度上有助于这些功能后果。把蛋白质和细胞其他区隔相互间连接起来的力学耦合力可以由血影蛋白介导，而且已知可以影响突触前的兴奋性。例如在轴突始段及郎飞结，βⅣ血影蛋白稳定电压门控钙通道。KCNQ2钾通道的活性及它们在郎飞结的成簇，也依赖于完整βⅣ血影蛋白所产生的机械力。离子通道活性的其他力学效应，可能部分地由血影蛋白和质膜相互作用或者蛋白质相互作用所介导，下面还会讨论（参看9.2.7）［5］。

根据实验，当纺锤体形成，发生有丝分裂和染色体分离时，微管可以施展分子力。细胞中微管产生的力通过多聚体αβ管蛋白质二聚体，或通过灾难性去多聚化事件，这都是由于微管的动态不稳定性。还有，微管可以存储因经常弯曲所产生的弹性能量，也可以感受断裂，这种断裂已经被认为可以介导细胞内的力学化学信号传送。微管产生推力（Fp）或拉力（F拉），从而为膜、蛋白质或运输分子的货物提供结构支持（图9-1b）。此外，当Fs≈5 pN时，单个微管能够产生最大的力。微管的这个Fs也符合微管运动蛋白、驱动蛋白的停顿力。驱动蛋白形成二聚体后结合到微管亚单位，在那里被ATP水解时实现旋转的构象变化，这样就易化了它们沿微管运输货物（cargo）的运动，或者帮助微管的延长。得到中间丝的增强过程，细胞中的肌球蛋白网络及微管相关蛋白质被认为能够赋予微管操控大的压缩负荷，而且顶住大于100 pN的弯曲力量。近来还显示，除其经典的货物运输或结构支持作用以外，在调节树突棘形态学和突触可塑性方面，还有以前未曾认识到的微管功能。微管产生的力与肌动蛋白产生的力相协调，从而介导树突棘稳定性和可塑性的变化，其程度如何还不清楚，虽然存在着几种可能性（参看9.3.1）［5］。

神经丝是有髓轴突中最丰富的细胞骨架蛋白，它可以和其他细胞骨架元素发生动态相互作用。有几个实验提示，神经丝可以调制轴突的机械力。从结构上看，神经丝是一些具有侧臂的长丝状纤维，从而产生“胡须样”的外观（图9-1b）。神经丝侧臂被认为给轴突提供了结构支持，保护轴突使之免受压缩性负荷。类似地，星状胶质细胞的中间丝也被认为能发挥保护性作用，抵抗脑内的机械力，并介导损伤时所带来的对机械性应力的反应。轴突的辐射方向生长是由神经丝介导的，而此过程部分地依赖于神经丝相互间所产生的远程排斥力。有几个模型可以用来解释神经丝之间及神经丝和其他细胞骨架元素之间的相互作用。在某些模型中，神经丝相互间形成跨桥，而在某些离体情况下，跨桥可以形成多聚体凝胶，其E＞100 Pa。总体来说，神经丝和中间丝在神经元和胶质细胞中分别起结构性和保护性的支持作用，它们是数量最多的蛋白质弹性体［5］。

由于连接着一个细胞与另一个细胞的质膜和细胞骨架，细胞黏附分子和细胞外基质（ECM）蛋白的作用是作为支持细胞网络和组织功能的一种动态聚合体基质。除了为神经元和胶质细胞提供力学支撑框架外，ECM分子例如颤蛋白，在突触可塑性的诱导、表达和维持方面有很确定的作用，而这些作用又涉及：易化神经递质受体的周转，调制树突棘的形态发生，调节离子通道的活性等。其他几个ECM蛋白例如胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白，它们为中枢神经系统的正常生长、发育和可塑性提供了力学支持网络。根据所了解的ECM在脑功能中的整合性作用，其功能失调已经被指认参与了大量的神经类疾病，从癫痫到其他神经-精神性疾病，如精神分裂症。细胞黏附分子使神经元之间、胶质细胞之间以及ECM之间力的转导和感受得以发生［5］。

细胞黏附分子的一个家族成员是整联蛋白，它是跨膜受体。通过与肌动蛋白的相互作用，它把ECM蛋白和细胞骨架连接起来（例如纤连蛋白）。单个整联蛋白分子可以与纤连蛋白形成黏附，纤连蛋白的键破裂力量（使得黏附脱离的力）大约为20 pN。在神经元中，整联蛋白调节突触的形成和成熟，为影响突触稳态和突触可塑性的一系列ECM信号化机制提供了分子支持［5］。

另一家族的跨膜细胞黏附分子是钙黏附蛋白（Ncad），它通过在表达其他Ncad和细胞黏附分子的细胞之间形成黏附位点，调节细胞的结构与稳定性。神经元Ncad与其伴侣结合，结合力大约为40 pN。通过这些黏附分子的作用，Ncad介导树突棘稳定的某些方面，并被认为在突触形成和神经元可塑性方面还有其他的作用。除直接的耦合作用以外，整联蛋白和Ncad都可以转导细胞的力。这些作用可能实现以前所未能认识到的、在突触前和突触后的区隔之间的力学信号化机制（参看9.3）［5］。钙黏附蛋白除了把细胞黏附在一起之外，还可能起机械换能器的作用。它能够感受张力，并触发细胞间连接的适应性变化［6］。

质膜上的压力、张力、牵拉力和应力，可以激活中枢神经系统及感觉系统中的一系列机械敏感通道（mechanosensitive channel，MSC）。MSC门控机制依靠一系列复杂的膜变形以及膜与蛋白质的相互作用来实现其活性（图9-2）。除了压力和张力对于质膜的大体效应以外，当蛋白质的疏水区和脂肪企图限制它们自己相互之间的物理长度时（疏水性匹配力：FM；图9-1b），就会产生分子间的机械力。质膜包含蛋白质以后，就产生了这些相互作用力（Fi），这种力可以调制离子通道的活性［5］。

许多来自不同家族的多模态（polymodal）通道，包括瞬变感受器电位（TRP）受体、双孔域钾离子通道（K2P）、钙激活钾（BK）通道，都受膜变形的调控（图9-2）。近来关于离子通道之生物物理学知识的进展表明，即使许多经典的电压门控通道（voltage-gated channel，VGC），例如电压门控钠通道（NaV）、钾通道（KV）和钙通道（CaV）等，也对质膜上的机械波动敏感。表达于脑内、不同类型而且具有力学敏感特征的离子通道的例子，开列在表9-1［5］。

表9-1　可以被机械力激活的通道

简写(2)：ATI TREK1：TWIK相关钾通道的交替转录发动同工分子。BK：大钾通道；CFTR：囊性纤维化跨膜电导调节蛋白；HCN：超极化激活核苷酸门控阳离子通道；K2P：双孔域钾通道；Kv：电压门控钾通道；Nav：电压门控钠通道；TRAAK：TWIK相关花生四烯酸刺激钾通道；TREK：TWIK相关钾通道；TRP：瞬变感受器电位通道。（表引自［5］）

有关膜力学影响离子通道活性的更多证据，来自对某些麻醉剂作用机制的热力学研究。氯胺酮、异氟烷的作用被认为是增加了脂肪的侧向压力剖面（profile），此作用改变了通道活性。即使尺度仅零点几纳米的小的膜变形，就足以影响通道的行为。接受这样一个观点，即微机械力学的力可以影响通道门控，那就提出了一个重要的神经科学问题，其中很明显重要的一点就是，我们通常所了解的神经元兴奋性，并不能够解释细胞力学的后果。许多离子通道（包括电压门控通道）是力学敏感的，这种现实将如何影响我们对于神经元活性及可塑性的认识？怎样面对这个问题似乎是一个特别艰难的挑战。例如，脑内神经元质膜上的结构性变化（张力和应力）不断发生。又如，离子通道插入突触后膜或者调制突触小泡的胞外排速率，而这些几乎肯定会引起突触膜张力和应力的变化。探讨这些力学变化对离子通道活性及突触信号化活性的后果，将会增加总体上对实现脑功能的机制的了解［5］。