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前包钦格复合体:产生呼吸节律的关键部位张承武 郑 煜(四川大学华西基础医学与法医学院生理学教研室,成都 610041)摘要呼吸节律的产生部位和原理一直是神经生物学研究领域中的热门课题。近年来的研究表明,延髓中一个被称为前包钦格复合体(pre-Botzinger complex,PBC)的区域在哺乳动物呼吸节律的产生中起着关键作用。本文主要介绍 PBC 的定位;PBC 内呼吸神经元的类型及轴突投射;调节PBC 呼吸神经元活动的神经递质;PBC 参与呼吸节律形成的机制。关键词 前包钦格复合体;呼吸节律;呼吸中枢学科分类号 R 332.3;R 338.2+2呼吸节律的产生部位和机制一直是神经生物学研究领域中的重要课题。近年来的研究表明,延髓头端一个被称为前包钦格复合体(pre-Botzingercomplex,PBC)的区域是哺乳类动物呼吸节律起源的关键部位。一、PBC的提出十年前,Smith 等 1通过对新生大鼠离体脑干-脊髓制备进行微切割实验发现,无论由延髓头端向尾端还是由尾端向头端方向切割,当切至面神经后核之后 200 m 的范围内时,反映离体条件下呼吸活动的脑神经根的放电便会停止;在背腹方向上,切去延髓的背侧部分后,仍可在其腹侧部的脑神经根记录到呼吸节律性放电。因此,Smith 等认为,在新生大鼠的延髓头端腹外侧有一局限区域,在呼吸节律的产生中可能起关键作用。该区域位于疑核头端腹外侧,外侧网状核背内侧;在头尾方向上位于包钦格复合体(Botzinger complex,Bot.C)与吻端腹侧呼吸组(rostral ventral respiratory group,rVRG)之间,Smith 等称之为 PBC。他们进一步研究发现,在厚度仅为 350 m、包含 PBC 的脑片上即可记录到舌下神经根()的节律性放电;在 PBC 内微量注射高K+溶液后放电节律加快;注射兴奋性氨基酸受体拮抗剂 CNQX 则引起 放电节律减慢甚至消失。这些结果提示,PBC 即是新生哺乳类动物呼吸节律起源的关键部位。此后的许多研究表明,PBC 也存在于成年整体大鼠(Sun 等.1998)、猫(Schwarzach-er 等.1995)及狗(Fukuda 等.1997)的延髓。二、PBC内神经元的神经生物学特性(一)呼吸神经元的类型 与其邻近部位相比,PBC 的神经元 类型具有一定特异性,在大鼠 2(Schwarzacher 等.1995)及狗(Fukuda 等.1997)的PBC 内有多种呼吸神经元,包括前吸气神经元(pre-I)、早吸气神经元(early-I)、递增型吸气神经元(aug-I)、晚吸气神经元(late-I)、吸气后神经元(post-I)和递增型呼气神经元(aug-E)等;尤其是该区含有较多的从呼气相开始放电并持续到吸气相的 pre-I。而PBC 头端的 Bot.C 以及其尾端的 rVRG 神经元类型则较单一,分别以呼气神经元和吸气神经元为主。PBC 内呼吸神经元类型的多样性,提示 PBC 在节律性呼吸活动的发生及呼吸时相的转换中具有重要作用。(二)神经元的投射 逆向刺激实验(Sun 等.1998,Schwarzacher 等.1995)表明,PBC 内的呼吸神经元不被刺激颈脊髓或脑神经所兴奋;免疫荧光追踪 1及辣根过氧化物酶细胞内标记(Schwarzach-er等.1995)结果显示,它们的轴突投射主要是在延髓本部。郑煜等 3采用 NMDA 与生物素联合使用的方法观察到,PBC 神经元投射到双侧 rVRG 并接受后者的兴奋性传入。这些结果提示,PBC 内的神经元主要以中间神经元的形式在延髓内形成局部神经元回路,参与节律性呼吸活动的形成。(三)调节 PBC 内神经元活动的递质或调质多种物质均可以调节 PBC 内呼吸神经元的活动,包括谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、-氨基丁酸(GABA)、P 物质(SP)、脑啡 肽、去甲肾 上腺素(NE)、5-羟 色胺(5-HT)、促 甲状腺素 释放激素(TRH)等。我们在整体大鼠 PBC 内微量注射 Glu可使膈神经放电活动增强 4,Johnson 等(1996)在新生大鼠离体脑片 PBC 内微量给予 SP 也可使 的吸气放电活动增强;而 Gly 和 GABA 4以及 NE 和脑啡肽(Johnson 等.1996)引起抑制性效应。Rekling等(1996)发现,在新生小鼠离体脑片灌流液中加入179生理科学进展2002 年第 33 卷第 2 期TRH 可引起 XII 的放电频率减慢。我们在整体成年大鼠还观察到,微电泳 Glu 可引起 PBC 呼吸神经元兴奋,而微电泳GABA 引起抑制效应;而且,这些效应可分别被相应的受体拮抗剂 DL-2-氨基-5-磷酸戊酸(AP-5)和荷包牡丹碱(BIC)阻断 5。Gray等 6通过免疫组化研究还发现,PBC 中神经元呈NK1 受体、GABAb 受体免疫反应阳性,进一步证明PBC 内的神经元受 NK、GABA 的调节。有的学者还对某些递质的受体做了进一步的研究。Funk 等(1993)在新生大鼠离体脑片的灌流液中加入 NM-DA 受体拮抗剂 MK-801 不影响 的放电;但非NMDA 受体拮抗剂 CNQX 能使 放电频率下降、幅度减小甚至消失,PBC 内微量注射 CNQX 也可产生同样的效应。Funk 等(1997)以 NMDA 受体基因缺陷小鼠为实验对象研究发现,缺陷小鼠离体脑片 的放电节律和幅度与正常小鼠相比并无显著性差异。因此,他们认为兴奋性氨基酸对 PBC 呼吸神经元的调节是通过非 NMDA 受体起作用的。此外,Paton 等(1994)发现,Gly 受体拮抗剂士的宁对含有PBC 的新生小鼠离体脑片的 呼吸放电节律无影响,但能干扰成年小鼠的放电节律。这提示,随动物的发育,PBC 内神经元上某些受体的类型或对相应递质的敏感性可能发生改变。三、PBC参与呼吸节律形成的机制如前所述,PBC 在呼吸节律产生中起关键作用。关于呼吸节律的产生机制尚无定论,目前主要有两种学说,即起搏细胞学说和神经元网络学说。PBC 神经元参与呼吸节律形成的机制,也是在这两种学说的基础上进行阐述的。起搏细胞学说的基本观点是,延髓内存在着类似心脏窦房结起搏细胞的神经元,它们能自发产生节律性兴奋,并驱动其它呼吸神经元,从而引起节律性呼吸活动。Smith 等发现,在新生大鼠 PBC 内有一类神经元,当膜电位钳定于-55 -45mV 之间时,能自 发产生节 律性放电 活动 1;Johnson 等(1994)用高镁或低钙阻断新生大鼠离体脑片神经元之间的突触传递后,仍可在 PBC 内记录到自发节律性放电的吸气性神经元。Koshiya 和 Smith 在同样的制备观察到,PBC 中的部分吸气神经元在 XII放电之前 300ms 左右便开始放电,用 CNQX 阻断神经元间的兴奋性联系后,PBC 吸气性神经元的自发节律性放电仍存在 7。这些实验结果均支持 PBC内的神经元能以起搏细胞活动的方式产生呼吸节律。1998 年,Rekling 和 Feldman 提出了一个 PBC起搏细胞学说的模型 8。他们认为,PBC 内具有电压依赖性的起搏细胞是呼吸节律产生的核心,当这类神经元受到紧张性的兴奋性传入并达到其阈电位时,便产生自发节律性放电活动;其放电活动还可通过彼此间的相互兴奋而增强,并经前运动神经元传到呼吸运动神经元,进而引起节律性呼吸活动。网络学说的基本观点是,延髓内呼吸神经元通过相互兴奋和抑制而形成复杂的神经元网络,在此基础上产生呼吸节律。Pierrefiche 等(1998)在成年猫 PBC 内微量注射抑制性氨基酸受体拮抗剂士的宁或荷包牡丹碱,可使膈神经放电节律减慢或消失,提示在成年动物 PBC 内神经元之间的相互抑制是产生呼吸节律所必需的。Ramirez 等(1996)对不同发育阶段的小鼠研究发现,出生后 1 4 天的小鼠PBC 内吸气神经元放电节律与XII 放电节律完全相同,两者的比例为 1 1,但在出生后 5 18 天,其比例为 3.5 1,他们认为发生这一变化的原因是随着动物的发育,PBC 内呼吸神经元之间的相互作用加强,从而使吸气神经元发放的一部分冲动被掩盖或抑制,因而不能传到呼吸运动神经元。这些实验结果提示,PBC 以神经元网络的方式参与呼吸节律的发生。Richter 等根据有关研究结果,提出了一个PBC 内呼吸神经元参与呼吸节律形成的网络模型 9。该模型认为,呈递减样放电且相互抑制的两类呼吸神经元(early-I 和 post-I)构成了最基本的呼吸节律发生器。在 early-I 和 aug-I 受到的抑制解除后,吸气活动开始;aug-I 又通过自身兴奋使吸气活动加强。aug-I 兴奋的同时触发了 late-I 的活动,后者又反馈性地抑制前者,对吸气活动产生抑制;随着吸气的进行,呈递减样放电的 early-I 对 post-I 的抑制作用减弱,post-I 便兴奋;post-I 兴奋对吸气过程产生抑制作用,吸气相便转换为呼气相。随后,post-I 的放电逐渐衰减,而且,aug-E 的活动加强,因而呼气相得以维持。随着 post-I 放电频率的降低,pre-I便开始兴奋;pre-I 的兴奋又抑制 aug-E 的活动,从而解除了后者对 early-I 和 aug-I 的抑制作用,使呼气转入下一次吸气。目前,由于方法学的限制,有关起搏细胞学说的实验依据多来自新生动物,而关于神经元网络学说的依据多来自成年动物,所以,两种学说中哪一种是正确的尚不能肯定,很可能两种机制均起作用,只是在动物的不同发育阶段,各自的地位有所不同;在新生期起搏细胞的活动起主导作用,而随着动物的生长发育,呼吸神经元之间的相互作用加强,网络的作180生理科学进展 2002 年第 33 卷第2 期用则越来越重要。然而,从目前的研究结果来看,即使呼吸节律的产生依赖于 PBC 起搏细胞,神经元网络的作用对于正常节律性呼吸活动的样式和频率的维持也是必不可少的。四、PBC是正常呼吸节律中枢还是喘息中枢目前,很多有关 PBC 的研究结果是在离体条件下获得的,而这时从颈神经根或脑神经根记录到的是一种节律较慢的递减样放电,这与在整体条件下的喘息式放电很相似。因此,St-John 认为,在离体条件下记录到的放电是由于缺氧及低温引起的喘息样放电,不能代表正常的呼吸节律 10。St-John 实验室还发现,损毁新生大鼠的 PBC 后,正常节律性呼吸仍存在,但缺氧却不能诱导出喘息(Huang 等.1997);PBC 内微量注射红藻氨酸(kainic acid)损毁成年大鼠 PBC 内的神经元后,动物只出现暂时性的呼吸抑制,而后其正常的呼吸节律仍可恢复(St-Jacques和 St-John.1999)。因此,他们认为 PBC 是喘息中枢而不是正常呼吸节律的中枢。但是,Rek-ling 和 Feldman 则指出,St-John 等在实验中所定位的喘息中枢位于疑核的背内侧,而 Smith 等所指的PBC 位于疑核的腹外侧,因此,它们是两个完全不同的部位 8;他们还认为离体灌流制备不存在缺氧的情况,所记录到的放电样式是由于低温以及去除了迷走神经的作用所致。Ramirez 等(1998)观察到,损毁成年猫的 PBC 后,正常呼吸消失,但缺氧条件下仍能诱导出喘息,这显然也支持 PBC 是正常呼吸节律中枢而不是喘息中枢的观点。此外,Lieske等(2000)以包含有 PBC 的新生小鼠离体脑片为实验对象,发现在不同的条件下,XII 的放电活动不仅可以表现为正常呼吸节律性放电,而且可以表现为喘息以及叹息样放电;膜片钳记录结果显示,在正常呼吸时放电的 PBC 吸气神经元在喘息及叹息过程中也发生兴奋,只是兴奋时的放电样式有所不同。因此,Lieske 等认为,PBC 可能是正常节律性呼吸、喘息以及叹息三种不同节律性活动的共同发生部位。由此可见,虽然 PBC 在喘息和叹息活动产生中的作用还有待澄清,但是可以肯定,它在正常呼吸节律的形成中起着关键作用。至于上述争论也可能是由于不同实验室所指的部位确有不同所致。综上所述,大量研究表明,PBC 是延髓呼吸中枢内在结构和功能方面具有相对特异性的部位,它在呼吸节律产生中起着关键作用;PBC 参与呼吸节律形成的机制尚待进一步探讨。今后的研究应着重于 PBC 内呼吸神经元之间的相互联系和作用、神经元活动的调节机制及其在个体发育过程中的变化等方面。参考文献1 Smith JC,Ellenberger HH,Ballanyi K,et al.Pre-Botzinger complex:a brain stem region that may generaterespiratory rhythm in mammals.Science,1991,254 726 729.2张翠英,余微,郑煜.大鼠前包钦格复合体区神经元类型和对甘氨酸的反应.中国神经科学杂志,1999,15 27 30.3Zheng Y(郑煜),Riche D,Rekling JC,et al.Brainstemneurons projecting to the rostral ventral respiratory group(rVRG)in the medulla oblongata of the rat revealed by co-application of NMDA and biocytin.Brain Res,1998,782 113 125.4李川,余微,郑煜.前包钦格复合体区微量注射氨基酸类药物的呼吸效应.生理学报,2000,53 333 337.5张翠英,余微,郑煜.谷氨酸、-氨基丁酸对大鼠前包氏复合体神经元放电的影响.中国神经科学杂志,1998,14 85 89.6Gray PA,Rekling JC,Bocchiaro,et al.Modulation of res-piratory frequency by peptidergic input to rhythmogenicneurons in the preBotzinger complex.Science,1999,286 1566 1568.7Koshiya N,Smith JC.Neuronal pacemaker for breathingvisualized in vitro.Nature,1999,400 360 363.8Rekling JC,Feldman JL.Pre-Botzinger complex and pace-maker neurons:hypothesized site and kernel for respiratoryrhythm generation.Ann Rev Physiol,1998,60 385 405.9Richter DW,Ballanyi K,Ramirez JM.Respiratory rhythmgeneration.In:Miller AD,Bianchi AL,Bishop BP.Neu-ral control of the respiratory muscles.Boca Raton NewYork London Tokyo:CRC Press,1997.119 130.10ST-John WM.Neurogenesis of patterns of automatic ven-tilatory activity.Prog Neurobiol,1998,56 97 117.181生理科学进展2002 年第 33 卷第 2 期