大鼠纹状体内部结构特征的研究

李萍 李延海

1西安体育学院运动医学教研室（西安 710068）2西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，生命科学与技术学院，康复科学与技术研究中心（西安 710049）

大鼠纹状体内部结构特征的研究

李萍1李延海2

1西安体育学院运动医学教研室（西安 710068）2西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，生命科学与技术学院，康复科学与技术研究中心（西安 710049）

目的：探讨大鼠纹状体的内部结构特征。方法：应用胆碱酯酶组织化学染色方法，研究纹状体从嘴侧到尾侧不同冠状切面的细胞组织形态特性。结果：在整个纹状体内的任一冠状切面上，均存在边界较清楚、大小不同的斑块状淡染色区纹状小体（patch）和其周围面积较大的深染色区基质（matrix），二者相间分布；从嘴侧到尾侧，纹状体呈现深染区域逐渐增多的变化趋势，即靠近嘴侧的纹状体以patch为主，而靠近尾侧的纹状体则以matrix为主；从内侧向外侧，纹状体也呈现出matrix逐渐增多的变化趋势；胆碱酯酶染色阳性神经元主要分布在matrix区域。结论：纹状体内部具有patch镶嵌在matrix中的细胞构筑特征，并存在着matrix所占比例从嘴侧到尾侧及从内侧向外侧逐渐增大的分布趋势，这种内部细胞构筑的复杂性与不均一性可能是纹状体对运动具有学习与记忆能力等多种生理功能的结构基础，为进一步探讨纹状体内的不同区域在运动中的作用奠定了基础。

纹状体；纹状小体；基质

纹状体是大脑皮层下的高级运动中枢，与机体随意运动的稳定、肌张力的调节和躯体运动的协调密切相关，对控制和执行各种运动行为具有关键作用。近年来的研究发现，它不仅在触发和计划多种行为方式中

具有重要作用，而且还是习惯形成以及复合运动方式信息储存的中心[1-3]。乙酰胆碱是纹状体内的重要神经递质，主要由胆碱能中间神经元轴突末梢释放产生。而胆碱能中间神经元，作为纹状体中间神经元的一种，不仅对纹状体主神经元具有调节作用，而且是纹状体神经网络的重要组成部分，通过调节主神经元的正常突触传递和突触可塑性，进而调节了自主运动及情景依赖性行为等[4]。以往的神经解剖学研究发现，纹状体内部呈淡染色区纹状小体（patch）和其周围面积较大的深染色区基质（matrix）两种边界清楚的区域间隔性分布，二者在形态结构上具有不同的组织学结构特点；在功能上具有调节躯体运动以及习惯行为两种完全不同的功能特征[5-7]。因此，区分这两种组织学结构将为揭示纹状体完成不同功能的细胞与分子机制提供重要资料。本实验应用胆碱酯酶组织化学染色方法，显示纹状体从嘴侧到尾侧不同冠状切面的形态，寻找patch和matrix在不同冠状切面的分布特点及其在整个纹状体内的分布规律，为进一步研究纹状体内部不同区域在运动调控中的生理功能提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 实验动物

本实验选用体重为140~180 g的健康Sprague-Dawley大鼠，雌雄不拘，由西安交通大学实验动物中心提供。大鼠在12/12 h明/暗交替的环境中饲养，自由取食及饮水。

1.2 组织制备

1.2.1 灌流、取材和固定

成年SD大鼠给予2%戊巴比妥钠（45 mg/kg）腹腔注射。动物麻醉后取仰卧位，打开胸腔，从左心室插入钝针头至升主动脉，剪开右心耳，同时打开输液器开关，快速灌注温生理盐水100 ml，然后用4°C的4%多聚甲醛（pH 7.4）500 mL灌注固定，先将250 ml固定液快速灌入，剩余的250 ml缓慢滴入，共持续2~3 h。灌注完毕，立即断头取全脑，置相同固定液后固定4~6 h后，浸入20%、30%的蔗糖的磷酸盐缓冲盐液（PBS）（4°C）中，直至沉底。

1.2.2 切片

脑块在30%蔗糖中沉底后，立即取出，用刀片将其分为左右两半球，分别将其用OCT包埋固定后，用冰冻切片机进行冠状连续切片，切片厚40 μm，并将含有纹状体的大脑切片按前后次序收集于预先注入0.01 M的磷酸盐缓冲盐液（PBS）（pH 7.4）六孔板中，用于胆碱酯酶染色。

1.3 胆碱酯酶组织化学染色

对脑片进行胆碱酯酶染色前30 min，配制孵育液。具体步骤如下：先称取12.5 mg底物乙酰硫代胆碱碘化物，放入玻璃皿内，然后依次加入以下各溶液：0.82%醋酸钠15.8 ml、0.6%醋酸0.5 ml、2.94%柠檬酸钠1.2 ml、0.75%硫酸铜2.5 ml、0.137%四异丙焦磷酰铵0.5 ml、0. 165%铁氰化钾2.5 ml，以1 M HCl或NaOH将pH调为5.6，孵育液呈亮绿色。将切片放入24孔培养板内，每孔一张切片，1 ml孵育液。37°C水浴箱孵育2~3 h，0.01 M PBS洗3次，每次5 min，然后裱片，阴干，脱水，透明，封片，光镜下检测结果。

1.4 显微镜观察

光镜下观察纹状体不同冠状切面的形态以及胆碱酯酶染色结果。光镜低倍镜（×40）下对纹状体进行显微数码摄片；高倍镜（×100）观察patch和matrix间区的分布以及阳性神经元的形态及分布特点。用Photoshop软件测量patch和matrix间区的面积，并计算其百分比。

2 结果

2.1 纹状体不同冠状切面胆碱酯酶染色结果

实验将SD大鼠脑在连续冠状切片后，选取从嘴侧到尾侧含有纹状体的脑片进行胆碱酯酶染色。结果如图1所示，A、B、C、D、E、F六张图片分别代表取自位于前囟2.2、1.6、1.0、0.2、－0.2、－1.0 mm的脑片染色结果。这些图片中均包含了皮层、胼胝体和纹状体等脑区。A图中，纹状体染色虽然与皮层和胼胝体相比呈阳性，但是与其它5张图片相比，染色淡而且较均匀。而F图中，纹状体胆碱酯酶染色呈强阳性，染色深且较均一。总体趋势是，在接近嘴侧的切片中纹状体以浅染区域为主，而接近尾侧的切片中纹状体以深染区域为主；从嘴侧到尾侧，纹状体呈现深染区域逐渐增多的变化趋势；而从内侧到外侧，纹状体的染色强度也呈现逐渐增强的变化趋势。以往的实验显示，胆碱酯酶（AChE）主要分布于matrix间区[8]。因此这一染色结果表明，在靠近嘴侧的纹状体，patch间区所占比例较大，尤其是在前囟2.2 mm~1.6 mm的冠状切片上，patch的面积占切片总面积的近50%；在靠近尾侧的纹状体，特别是在前囟0.2 mm~－1.0 mm的冠状切片上，主要是matrix间区为主，所占比例大于80%，patch间区所占比例很小。

2.2 patch和matrix间区的形态观察

取位置为前囟－0.1 mm的冠状脑片，观察patch和matrix间区的分布特点以及阳性神经元的形态特征。染色结果显示，在胆碱酯酶标记的整个纹状体内，存在边界较清楚、大小不等的斑块状淡染色区以及淡染区周围的色区，分别为patch（淡染）间区和matrix（深染）间区。如图2B所示，胆碱酯酶染色淡的patch间区呈不规则状镶嵌于染色深的matrix内。而阳性神经元在纹状体内散在分布，且数量较少，主要分布在胆碱酯酶深染的区域，即matrix区域。神经元胞体较大，呈椭圆形

或梭形，细胞核不着色（图2C）。

图1 从嘴侧到尾侧冠状切片中纹状体胆碱酯酶染色结果

图2 光镜下观察纹状体patch和matrix间区分布及阳性神经元

3 讨论

胆碱酯酶阳性染色的神经元主要是胆碱能中间神经元。在新纹状体，胆碱能中间神经元是纹状体内最大的无棘突神经元，其胞体直径超过40 μm，数量少于神经元总数的5%[9]。该神经元的兴奋性传入来自于皮层和丘脑，同时也接受纹状体中等有棘神经元（MSNs）的GABA能抑制性传入以及来自黑质的多巴胺能传入[10，11]。胆碱能中间神经元主要分布于matrix，其作用靶点主要是MSNs，对MSNs的放电模式及突触传递过程都具有重要的调制作用[4]。尽管这类中间神经元数量很少，但与其它类型神经元相比，它具有大且十分密集的轴突树，因而具有较为广泛的靶区，对MSNs的信息传出具有较强的调制作用。由于该神经元的轴突分布特征，致使纹状体成为在整个大脑内含乙酰胆碱和胆碱能受体浓度很高的脑区[12，13]。胆碱能中间神经元通过其分布广泛的轴突释放乙酰胆碱，作用于靶细胞的胆碱能受体而发挥其生物学效应。研究显示，纹状体内的胆碱能受体包括烟碱型（N）受体及毒蕈碱型（M）受体。烟碱型受体主要位于纹状体内的多巴胺能神经末梢[14]（突触前）；M1-like乙酰胆碱受体主要表达在有棘神经元上（突触后），而M2-like受体（和可能的M3-like受体）位于皮层—纹状体谷氨酸能末梢及GABA能中间神经元的纹状体—胆碱能纤维末梢上（突触前）[15，16]。因此，乙酰胆碱在纹状体内对突触前神经递质的释放以及突触后的信息传递均发挥了重要的调制作用[17]。纹状体功能的正常还有赖于多种神经递质与受体功能的协调与平衡，如乙酰胆碱与多巴胺的平衡是维持正常躯体运动所必须的。

以神经化学解剖学为依据，纹状体可以分为patch和matrix两类边界较清楚的间区，纹状体的神经元依此又被分为纹状体－patch和纹状体－matrix神经元。patch和matrix的神经元具有很多相似的特点，包括电学特性及轴突、树突分布形[6]等。形态学研究证实纹状体的patch和matrix间区神经元通过不同的神经通路执行不同的机能。前者接受中间额叶皮层、边缘皮层、黑质致密部和腹侧黑质网状部的传入神经纤维；而后者的传入纤维主要来自感觉运动皮层、联合皮层、大脑皮层辅助运动区、背侧黑质致密部、边缘皮层、腹侧被盖区和丘脑髓板内核群[6]。patch和matrix还有许多方面的不同，包括含有的神经递质与受体、神经元的发育过程与组织结构以及参与的功能等。例如，patch的组织化学特征表现为钙结合蛋白染色缺失，μ-阿片受体分布密集以及小清蛋白的染色缺失等，另外，patch还富含p物质和脑啡肽。而matrix的组织化学特征主要是相对富含AChE、钙结合蛋白、乙酰胆碱转运体

（ChAT）以及酪氨酸羟化酶[18]。由于patch和matrix间区在很多方面存在着差异，它们对纹状体生理功能可能发挥了不同的作用，因此对这两个间区的研究必然成为探索纹状体功能的关注点。

本研究发现，无论从嘴侧到尾侧或是从内侧到外侧，纹状体均呈现胆碱酯酶染色强度逐渐增强的变化趋势，即matrix所占面积逐渐增大；在前囟2.2 mm~1.6 mm区域内，patch间区占接近50%的纹状体面积；从前囟0.2 mm到纹状体尾侧主要是matrix间区为主，所占比例大于80%。该结果表明patch在matrix中的镶嵌并不是均一的，而是存在部位差异，此结果补充并深化了对纹状体内部细胞构筑特点的认识。研究结果也提示，纹状体内部的功能差异可能是由其内部结构的不均一性决定的，即靠嘴侧的纹状体可能较多地参与了习惯行为的调制和记忆，而靠尾侧的纹状体则主要参与对机体随意运动的调制。

4 总结

本实验使用胆碱酯酶组织化学染色方法，观察纹状体从嘴侧到尾侧不同部位冠状切片的形态结构以及胆碱酯酶的染色特点。结果显示，纹状体内部结构呈现patch和matrix间区的镶嵌分布特点，以及从嘴侧到尾侧、从内侧到外侧matrix所占面积比例逐渐增大的不均一性分布，研究结果为进一步研究patch和matrix功能提供了形态学基础。这种patch及matrix不均一分布特点的发现为进一步探讨纹状体在运动控制及调节中的作用提供了重要参考资料，为深入探讨纹状体内部不同区域在运动技巧学习以及认知中的作用提供了新思路。

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Research on Internal Structure Characteristics of Rats’Striatum

Li Ping1，Li Yanhai2
1 Department of Sports Medicine，Xi’an Physical Education University，Xi’an 710068，China 2 The Key Laboratory of Biomedical Information Engineering of Ministry of Education，and Research Center of Rehabilitation Science and Technology，School of Life Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China Corresponding Author：Li Yanhai，Email：liyanhai@mail.xjtu.edu.cn

ObjectiveTo investigate the internal structure characteristics of rats’striatum.MethodsThe morphological characteristics of the rostral-caudal striatum of rats were studied using the histochemical staining method of acetylcholinesterase（AChE）.ResultsIn the striatal coronal slices stained using AChE，there were many weakly labelled speckles（named patch）with different shape and size，and clear boundary surrounded by strongly labelled subregions（named matrix）.Moreover，the number of the matrix increased gradually from the rostral to the caudal striatum，and from the medial to lateral striatum.The AChE-positive neurons in oval or spindle shapemainly concentrated in the matrix.Conclusion Patches embedded in the matrix are very numerous in rostral striatum.In contrast，caudal striatum exhibits many matrixes.The cholinergic interneuron mainly distributes in matrix.These complicated and uneven characteristics of cytoarchitecture may be the structural basis for the striatum to have many physiologic functions including learning and memorizing ability.This study provides meaningful foundation for further exploring the role of patch and matrix in the movements.

striatum，patch，matrix

2016.03.31

国家自然科学基金项目（No.31000480）和西安体育学院重点学科建设经费共同资助

李延海，Email：liyanhai@mail.xjtu.edu.cn