概述脊髓运动控制系统的研究方法及结果

程　艺，戴　躍

概述脊髓运动控制系统的研究方法及结果

程艺，戴躍

华东师范大学，上海200241

摘要：行进运动(locomotion)是人和动物的一种基本运动形式如：行走、游泳、飞翔等，行进运动的特点是肢体重复单一动作并产生位移。控制行进运动节律、模式和协调肢体运动的神经网络称为中枢模式发生器(central pattern generators /CPG)。对鳗鱼和蝌蚪的CPG研究中，已经证实了CPG的一些基本功能，但有关于哺乳动物CPG在行进运动中的作用机制目前尚不清楚。本文就近20年有关于CPG研究的方法和内容进行简要概述，有利于今后对哺乳动物CPG的进一步研究。

关键词：行进运动；中枢模式发生器(CPG)；脊髓；神经元

前言

支配脊椎动物后肢或下肢运动的CPG位于脊髓的胸腰段，脊髓横截面的lamineaVI-IX区域[1]。其中运动神经元位于laminea IX，在行进运动中运动神经元接受来自CPG其他中间神经元的调控，起到支配肢体肌肉活动的作用。CPG神经网络中对运动神经元起到调节作用的脊髓中间神经元是研究CPG功能的重点，阐明每一类中间神经元的兴奋特性以及细胞形态有助于我们理解和明确CPG神经网络在行进中发挥的作用。

在之前的研究中，用于研究CPG中每一类神经元的兴奋特性以及形态特征所采用的方法主要有以下四种：1.脊髓反射通路(如IaINs、Ib、伦肖(Renshaw/RC))；2.生理解剖特征(Commissural Internourons/CIN)；3.基因表达特征(EphA4、Dbx1、En1、Chx10、Hb9)；4.神经元活性特征(C-fos expression)。本文就以上四种脊髓运动控制领域的研究的方法进行简要介绍，清楚每一种研究方法有助于在今后的CPG研究中找到更为简单有效的方法。

1脊髓反射通路

脊髓神经调节的基本方式是反射，从接受刺激直到发生反应的全部神经传导途径叫做反射弧，包括感受器，传入神经，神经中枢，传出神经，效应器。脊髓固有反射的神经中枢位于脊髓。脊髓反射通路中最为简单的两个反射是膝跳反射和屈肌反射。

这些基本的脊髓反射通路有助于研究IaINs、Ib、Renshaw(RC)抑制性的中间神经元[2]。通过逆向刺激的方法确定IaINs、Ib、RC神经元位于脊髓腹侧，是一类抑制性中间神经元，其中RC的兴奋性的调节最主要来自α运动神经元，IaINs的兴奋性调节主要来自其他的一些中间神经元。在行进运动过程中运动神经元受到其他中间神经元的调控后将兴奋性神经递质Ach通过突触传递给肌肉的同时，也兴奋了RC抑制性中间神经元，这一类抑制性的中间神经元可以反馈式的抑制运动神经元的活性，从而调节肢体动作的精确性。研究也发现IaINs、Ib、RC抑制性中间神经元不仅仅可以抑制运动神经元也可抑制脊髓的其他中间神经元。

2生理解剖特征

CIN是一类将轴突经腹侧连合处穿过中线投射到脊髓对侧的中间神经元，在行进中起到协调左右肢的作用[3]。由于其独特的解剖学特性，CIN得到了广泛的研究。在对啮齿类CPG的研究中发现CIN主要位于脊髓胸椎T13到腰椎L4的LaminaVI 、VII和VIII。行进运动过程中CIN具有调节下肢肌肉交替活动的功能。在对鳗鱼、猫和新生大鼠的研究中都发现CIN是产生和协调双边运动节律的重要因素。

2.1CIN分类

在新生大鼠脊髓中利用逆向染色标记的方法，根据脊髓中CIN轴突投射的方向不同将其分为四类：1.短距离投射(short-rang intrasegmental，sCIN)；2.上行投射(ascending CIN，aCIN)；3.下行投射(dscending CIN，dCIN)；4.上下双向投射(adCIN)。(如图一所示)

图一　sCIN：短距离投射，突穿过中线后终止在同一层面的

2.2识别CIN的方法

由于CIN独特的解剖学特点，识别这一类神经元最为常见的方法有逆向染色标记法，电极检测法。逆向染色法的优点是能够直观的看到CIN所在的位置以及判断出CIN轴突投射类型，缺点是利用逆向染色标记的CIN并不能确定参与到行进运动中。电极检测的优点是在脊髓完整的情况下记录CIN；这样可以在虚拟运动的状态下对CIN进行动态的记录测量，但是该方法最大的弊端是盲目性强。

3基因表达特征

转基因的方法在现代的医学和生理学的研究中已经成为一种最为常用且有效的技术。Jessall[4]实验室在之前的研究中清楚地阐述了胚胎时期脊髓形成的过程以及不同类细胞分化的条件，为采用转基因技术研究脊髓神经元提供了基础。脊髓在发育阶段由于腹侧的神经元分化形成五个不同类别，包括V0-V3和MN。V0-V3属于脊髓腹侧中间神经元，MN为运动神经元。

利用基因敲出的方法发现，V0中间神经元在行进运动中并不起到决定的作用[5]。当利用基因敲除和急性使这V1神经元不表达时，行进运动的速度变小，但是MN所接受的有节律的抑制作用并没有消失，因此说明MN的节律性抑制传入不是单独由V1提供。V2神经元可分为V2a和V2b两类中间神经元，V2a神经元在行进中起到协调左右肢的作用但并不是唯一来源。对V2b神经元的研究发现包括一些抑制性的中间神经元，主要作用是向MN提供抑制性的神经传递。V3中间神经元是一类兴奋性中间神经元，基因敲除V3后发现MN的动作电位输出并没有受到影响，则说明这一类中间神经元不是产生节律的来源。

4神经元活性特征

即早基因(Immediate Early Genes IEGs)被广泛的应用于标记中枢神经系统中兴奋的神经元。当细胞受到外界刺激时，这些基因可作为一种重要信号传导迅速的转录和表达。之前的研究已经发现IEGs可作为标记神经元受到刺激产生兴奋的一个标记基因。对于脊髓运动控制的研究，我们最为关注的是IEGs中的C-fos基因[6]。

C-fos作为细胞兴奋性标记物质已经在很多领域得到证实，在研究脊髓运动控制系统中C-fos也得到了广泛的应用。利用转基因手段在C-fos的基因序列上插入一个荧光蛋白基因形成融合基因，使得在细胞兴奋表达C-fos的同时表现出荧光。该方法在研究CPG方面较其他方法有很大的进步，实现了对CPG神经元的批量研究，并为研究这些神经元的药理性和电生理特性提供了基础。

总结

时至今日，研究行进运动产生的机制仍然是脊髓运动控制的研究重点，CPG的研究并没有清楚地阐明每一类神经元在行进运动中的具体作用。纵观CPG的研究方法都存在着各自的优缺点，寻找更为有效的方法成为研究CPG中神经元特性的重点。今后的研究中可以将以上四种方法综合使用，例如将生理解剖特征和神经元活性特征结合起来研究CIN或者脊髓反射通路和基因表达特征结合起来研究RC等，这些方法有待于在今后的试验中得以应用。

参考文献：

[1]Kiehn O. Locomotor circuits in the mammalian spinal cord[J]. Annu Rev Neurosci, 2006,29:279-306.

[2]Jankowska E. Spinal interneuronal networks in the cat: Elementary components[J]. Brain Research Reviews, 2008,57(1):46-55.

[3]Shevtsova N A, Talpalar A E, Markin S N, et al. Organization of left-right coordination of neuronal activity in the mammalian spinal cord: Insights from computational modelling[J]. The Journal of Physiology, 2015,593(11):2403-2426.

[4]Jessell T M. Neuronal specification in the spinal cord: inductive signals and transcriptional codes[J]. Nat Rev Genet, 2000,1(1):20-29.[5]Stepien A E, Arber S. Probing the locomotor conundrum: descending the 'V' interneuron ladder[J]. Neuron, 2008,60(1):1-4.

[6]Coggeshall R E. Fos, nociception and the dorsal horn.[J]. Progress in Neurobiology, 2005,77(5):299-352.

Overview on Research Methods and Results of Spinal Motion Control System

Cheng Yi, Dai Yue

Abstract:Locomotor behaviors (such as walking, swimming, or flying) are fundamental motor acts that give animals and humans the ability to move. Locomotor behaviors are characterized as human body repeating a simple action to make displacement. CPGs are neuronal networks controlling rhythm and pattern of locomotors behaviors and coordinating limb activities. Research on lampreys and tadpoles have provided some basic functionality of CPGs. However, the mechanism of CPG in locomotors behaviors in mammals is still unclear. This paper overviews research contents and research methods of CPG in the past two decades to benefit follow-up researches on CPG in mammals.

Key words:locomotion; central pattern generators/CPG; spinal cord; neuron

第一作者简介：程艺(1988-)，女，河南三门峡人，在读硕士研究生，研究方向：运动人体科学。

中图分类号：G804

文献标识码：A

文章编号：1005-0256(2016)06-0138-2

doi:10.3969/ j.issn.1005-0256.2016.06.062

East China Normal University, Shanghai 200241, China.