神經(jīng)元放電閾值的可變性及其意義

　　摘要神經(jīng)元能夠?qū)⒉煌瑫r(shí)空模式的突觸輸入轉(zhuǎn)化為時(shí)序精確的動(dòng)作電位輸出，這種靈活、可靠的信息編碼方式是神經(jīng)集群在動(dòng)態(tài)環(huán)境或特定任務(wù)下產(chǎn)生所需活動(dòng)模式的重要基礎(chǔ).動(dòng)作電位的產(chǎn)生遵循全或無規(guī)律，只有當(dāng)細(xì)胞膜電壓達(dá)到放電閾值時(shí)，神經(jīng)元才產(chǎn)生動(dòng)作電位.放電閾值在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間具有高度可變性，具體動(dòng)態(tài)依賴于刺激輸入和放電歷史.特別地，放電閾值對(duì)動(dòng)作電位起始前的膜電壓變化十分敏感，這種狀態(tài)依賴性產(chǎn)生的生物物理根源包括Na+失活和K+激活.在絕大多數(shù)神經(jīng)元中，動(dòng)作電位的觸發(fā)位置是軸突起始端，這個(gè)位置處的閾值可變性是決定神經(jīng)元對(duì)時(shí)空輸入轉(zhuǎn)化規(guī)律的關(guān)鍵因素.但是，電生理實(shí)驗(yàn)中動(dòng)作電位的記錄位置卻通常是胞體或近端樹突，此處的閾值可變性高于軸突起始端，而其產(chǎn)生的重要根源是軸突動(dòng)作電位的反向傳播.基于胞體測量的相關(guān)研究顯示，放電閾值動(dòng)態(tài)能夠增強(qiáng)神經(jīng)元的時(shí)間編碼、特征選擇、增益調(diào)控和同時(shí)偵測能力.本文首先介紹放電閾值的概念及量化方法，然后詳細(xì)梳理近年來國內(nèi)外關(guān)于放電閾值可變性及產(chǎn)生根源的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)放電閾值可變性對(duì)神經(jīng)元編碼的重要性，最后對(duì)未來放電閾值的研究方向進(jìn)行展望.

　　關(guān)鍵詞神經(jīng)元，信息編碼，動(dòng)作電位，放電閾值，可變性

　　神經(jīng)系統(tǒng)是機(jī)體內(nèi)對(duì)生理、行為、思想和情感起主導(dǎo)作用的系統(tǒng).它能夠精確編碼和存儲(chǔ)來自外界的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等感覺信息，控制軀體運(yùn)動(dòng)和內(nèi)臟活動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)體適應(yīng)各種動(dòng)態(tài)環(huán)境.理解神經(jīng)系統(tǒng)如何產(chǎn)生適應(yīng)環(huán)境所需的動(dòng)態(tài)活動(dòng)模式是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)基本問題，對(duì)于揭示大腦工作機(jī)制至關(guān)重要.

　　研究發(fā)現(xiàn)，特定的任務(wù)或環(huán)境能夠選擇性地激活與之對(duì)應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)[1,2]，而靶向核團(tuán)內(nèi)神經(jīng)元集群在介觀層次的動(dòng)態(tài)活動(dòng)模式與運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和感知等功能的產(chǎn)生直接相關(guān)[2-4].由于單神經(jīng)元對(duì)時(shí)空信息的編碼整合是神經(jīng)集群介觀電活動(dòng)的產(chǎn)生基礎(chǔ)，所以理解神經(jīng)元在微觀層次的信息編碼過程對(duì)于揭示神經(jīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的產(chǎn)生機(jī)制十分關(guān)鍵.

　　神經(jīng)元是一種處于極化狀態(tài)的可興奮細(xì)胞，它在時(shí)空輸入下能夠產(chǎn)生時(shí)序精確的動(dòng)作電位(actionpotential)序列.神經(jīng)細(xì)胞一般由樹突、胞體、軸突起始端(axoninitialsegment，AIS)和軸突等部分組成.樹突不僅是神經(jīng)元接收突觸輸入的主要位置，它們還能夠?qū)λ�接收的信息進(jìn)行非線性整合.樹突的整合結(jié)果經(jīng)過胞體和AIS轉(zhuǎn)化為軸突上的放電輸出，然后經(jīng)過突觸傳遞至下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞.神經(jīng)電活動(dòng)的產(chǎn)生、維持與傳導(dǎo)依賴于細(xì)胞膜上的離子電流[5].當(dāng)突觸輸入激活流向胞內(nèi)的壓控Na+或Ca2+電流時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生全或無(all-or-none)的去極化再生響應(yīng)，即動(dòng)作電位.這種類似數(shù)字量的電脈沖信號(hào)在神經(jīng)元編碼過程中起著關(guān)鍵作用，是因?yàn)閯?dòng)作電位序列是神經(jīng)元傳遞和表達(dá)時(shí)空輸入的主要載體.電生理實(shí)驗(yàn)和理論模型闡明，在絕大多數(shù)神經(jīng)元中動(dòng)作電位的真正觸發(fā)位置是AIS[6-9]，然后反向傳導(dǎo)至胞體和樹突以及前向傳導(dǎo)至軸突和軸突末梢.

　　因此，識(shí)別AIS處的放電模式及產(chǎn)生機(jī)理對(duì)于理解神經(jīng)元的時(shí)空信息編碼至關(guān)重要.動(dòng)作電位序列的精確時(shí)序由放電時(shí)刻決定，而具體放電時(shí)刻又由放電閾值(spikethreshold)控制.這是因?yàn)閯?dòng)作電位的產(chǎn)生具有閾值依賴性，只有當(dāng)細(xì)胞膜電壓達(dá)到放電閾值時(shí)，神經(jīng)元才發(fā)放動(dòng)作電位.放電閾值并不是一個(gè)固定值，而是具有高度可變性.放電閾值的動(dòng)態(tài)變化不僅依賴于刺激輸入特性，還受細(xì)胞膜電壓在放電起始(spikeinitiation)前的狀態(tài)變化控制.特別地，放電閾值對(duì)膜電壓閾下去極化速率dV/dt和近期放電歷史十分敏感[10-14].

　　此外，動(dòng)作電位在大多數(shù)神經(jīng)元中的觸發(fā)位置是AIS，此處的閾值可變性是影響神經(jīng)元編碼時(shí)空輸入的決定性因素.但是，電生理實(shí)驗(yàn)中動(dòng)作電位的記錄位置卻通常是胞體或近端樹突[6-9].這種位置差異帶來的軸突放電反傳是導(dǎo)致胞體放電閾值可變性和快速放電起始動(dòng)態(tài)的一個(gè)重要根源[6,7].閾值電壓的可變性使得神經(jīng)細(xì)胞可以靈活地調(diào)節(jié)它們對(duì)時(shí)空輸入的敏感性和選擇性，進(jìn)而有效增強(qiáng)其信息編碼的可靠性和魯棒性.近年來，各國學(xué)者采用電生理實(shí)驗(yàn)或模型仿真方法對(duì)放電閾值的可變性進(jìn)行了相關(guān)研究.

　　大部分關(guān)注的是胞體處的放電閾值，但也有一些研究探討胞體閾值和AIS閾值之間的差異及聯(lián)系.本文在介紹放電閾值概念和量化方法基礎(chǔ)上，綜述近年來關(guān)于放電閾值可變性及產(chǎn)生根源的研究進(jìn)展，并討論閾值可變性對(duì)神經(jīng)元時(shí)空編碼的重要性，同時(shí)對(duì)未來放電閾值的研究方向進(jìn)行展望.需要指出的是，除非特別說明是AIS處的放電閾值，下文所提放電閾值均指胞體處閾值電壓.

　　1動(dòng)作電位產(chǎn)生的閾值現(xiàn)象

　　動(dòng)作電位的產(chǎn)生遵循全或無的規(guī)律.只有當(dāng)細(xì)胞膜去極化程度超過某個(gè)臨界電壓后，神經(jīng)元才會(huì)產(chǎn)生和傳導(dǎo)動(dòng)作電位.當(dāng)細(xì)胞膜去極化沒達(dá)到相應(yīng)臨界電壓時(shí)，不會(huì)有動(dòng)作電位產(chǎn)生.通常將觸發(fā)動(dòng)作電位的臨界跨膜電壓定義為放電閾值[15]，又稱動(dòng)作電位閾值或電壓閾值.這個(gè)閾值是動(dòng)作電位起始前跨膜電壓能夠達(dá)到的最大值，以其為臨界值可將細(xì)胞響應(yīng)劃分為閾下(subthreshold)和閾上(suprathreshold)兩類.

　　如果細(xì)胞膜的去極化程度較低，達(dá)不到放電閾值，那么膜電壓將直接衰減至靜息電位，對(duì)應(yīng)的是閾下響應(yīng).如果細(xì)胞膜的去極化程度較高，可以達(dá)到并超過放電閾值，那么膜電壓將依次經(jīng)歷動(dòng)作電位的去極化上升相和復(fù)極化下降相，對(duì)應(yīng)的是閾上響應(yīng).動(dòng)作電位的產(chǎn)生與細(xì)胞膜上的Na+通道和K+通道密切相關(guān).Na+通道能夠呈現(xiàn)關(guān)閉、開通和失活(inactivated)三種狀態(tài)，其中只有處于開通狀態(tài)的通道才可以產(chǎn)生Na+電流[16].由于Na+在細(xì)胞外的濃度高于細(xì)胞內(nèi)，所以Na+電流的方向是由胞外流向胞內(nèi).這種流向胞內(nèi)的Na+能夠?qū)е履る妷喝�極化，從而有利于產(chǎn)生動(dòng)作電位的上升相.不同于Na+通道，K+在細(xì)胞內(nèi)的濃度高于細(xì)胞外.

　　因此，由K+通道開通產(chǎn)生的電流是從胞內(nèi)流向胞外，相應(yīng)方向與Na+電流相反.這種流向胞外的K+電流會(huì)導(dǎo)致膜電壓超極化，阻礙膜電壓去極化，進(jìn)而有利于產(chǎn)生動(dòng)作電位的下降相.離子通道的狀態(tài)轉(zhuǎn)遷具有電壓依賴性.在動(dòng)作電位起始前，隨著跨膜電壓由某個(gè)閾下電位上升至放電閾值，細(xì)胞膜上的Na+通道逐漸由關(guān)閉變?yōu)殚_通.特別地，當(dāng)跨膜電壓達(dá)到放電閾值時(shí)，大量Na+通道被同時(shí)激活，進(jìn)而導(dǎo)致Na+電流迅速增強(qiáng)并超過K+電流，從而產(chǎn)生動(dòng)作電位的快速上升相.

　　從這個(gè)角度說，放電閾值是觸發(fā)大量電壓依賴Na+通道開通的最小的跨膜電壓值.需要特別注意的是，絕大多數(shù)神經(jīng)元中AIS是動(dòng)作電位的真正觸發(fā)位置[6-9]，所以這個(gè)位置處的放電閾值可變性才是影響神經(jīng)元編碼時(shí)空信息的決定因素.但是為了方便胞內(nèi)記錄，電生理實(shí)驗(yàn)中動(dòng)作電位的記錄位置通常是胞體或近端樹突，這個(gè)位置處的放電閾值動(dòng)態(tài)大部分是由軸突動(dòng)作電位反傳誘發(fā)的離散性所致[6,7].

　　特別地，胞體的閾值可變性和放電起始速率與AIS處有很大差異，這個(gè)將在后面的4.3節(jié)進(jìn)行論述.AIS和胞體之間的位置及閾值差異導(dǎo)致胞體放電閾值本身對(duì)神經(jīng)元輸出的放電模式幾乎沒有影響.從這個(gè)角度來說，研究胞體閾值的可變性對(duì)于理解神經(jīng)元放電輸出的價(jià)值并不高，而聚焦于動(dòng)作電位觸發(fā)位置的AIS閾值才是關(guān)鍵.

　　當(dāng)突觸輸入激活樹突的電壓依賴Ca2+通道、Na+通道或NMDA通道時(shí)，神經(jīng)元會(huì)在樹突區(qū)域率先產(chǎn)生Ca2+放電、Na+放電或NMDA放電[17].

　　事實(shí)上，這些樹突放電也遵循全或無規(guī)律以及具有閾值依賴性.特別地，它們能夠增強(qiáng)和放大突觸輸入進(jìn)而賦予樹突一種超線性整合(supralinearintegration)功能[17,18].這些樹突放電最終會(huì)被傳至胞體和AIS，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元的放電輸出.前期相關(guān)研究大部分關(guān)注樹突局部放電的產(chǎn)生條件和波形特性以及它們對(duì)樹突超線性整合和神經(jīng)元時(shí)空編碼的影響[17-20]，而鮮有文獻(xiàn)報(bào)道樹突的放電閾值特性.本文所綜述的是胞體和AIS處放電閾值的研究進(jìn)展.

　　與樹突不同，這兩個(gè)位置產(chǎn)生的動(dòng)作電位類型主要是Na+放電.此外，離體情況下還可以從刺激角度定義興奮閾值[15]，這是因?yàn)殡x體實(shí)驗(yàn)中神經(jīng)元輸入通常是人為施加的可控刺激，如脈沖或階躍電流等.此時(shí)，可以用刺激強(qiáng)度對(duì)輸入進(jìn)行量化，所以相應(yīng)的興奮閾值可以被定義為誘發(fā)細(xì)胞放電的最小刺激強(qiáng)度.這種在刺激空間內(nèi)定義的閾值被稱為刺激閾值，又稱基強(qiáng)度電流(rheobasecurrent).

　　事實(shí)上，每個(gè)刺激閾值都對(duì)應(yīng)特定的放電閾值，只不過相應(yīng)電壓閾值依賴于刺激形式.與離體情況不同，在體情況下神經(jīng)元的輸入是一系列由突觸前放電觸發(fā)的突觸電流，它們通常不是直接可控的，所以此時(shí)刺激閾值的概念不再適用.本文所討論是放電閾值，而非刺激閾值.2放電閾值的量化方法目前量化動(dòng)作電位閾值電壓的常用方法有四種，分別是基于波形曲率的方法、基于斜坡刺激的方法、基于閾值公式的方法和基于相空間分界線(phasespaceseparatrix)的方法.這些方法已被廣泛用于離體實(shí)驗(yàn)、在體實(shí)驗(yàn)或模型仿真研究中.

　　2.1基于波形曲率的方法

　　基于波形曲率的方法是一種非參數(shù)方法，它采用動(dòng)作電位波形的曲線拐點(diǎn)或最大曲率作為基準(zhǔn)定義放電閾值.按照操作方法的差別，可將其分為時(shí)間導(dǎo)數(shù)法和相空間法兩類.

　　2.2基于斜坡刺激的方法

　　基于斜坡刺激的方法也是一種非參數(shù)方法，它采用一系列的斜坡電流刺激神經(jīng)元，進(jìn)而計(jì)算放電閾值.斜坡刺激的斜率可以控制細(xì)胞膜電壓的閾下去極化速率dV/dt.較大的刺激斜率會(huì)使膜電壓以較快的速度去極化，對(duì)應(yīng)較高的dV/dt.對(duì)于一個(gè)給定的刺激斜率，隨著刺激時(shí)間的延長，斜坡電流會(huì)驅(qū)動(dòng)膜電壓漸漸地接近放電閾值.當(dāng)膜電壓將要達(dá)到放電閾值時(shí)，逐漸增加斜坡刺激時(shí)間，以便做到每增加一步都會(huì)導(dǎo)致膜電壓產(chǎn)生大約0.1mV的去極化.

　　在這種情況下，如果斜坡刺激足以驅(qū)使膜電壓超過放電閾值，那么撤去刺激后神經(jīng)元會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位;否則，撤去刺激后膜電壓會(huì)逐漸衰減至閾下靜息電位，那么神經(jīng)元不會(huì)放電.通過控制斜坡刺激時(shí)間，尋找這樣一個(gè)臨界電壓：當(dāng)膜電壓高于臨界電壓0.1mV時(shí)，神經(jīng)元在撤去斜坡刺激后會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位，而當(dāng)膜電壓低于臨界電壓0.1mV時(shí)，神經(jīng)元在撤去刺激后不能產(chǎn)生放電.將這個(gè)臨界電壓定義為神經(jīng)元的放電閾值.這樣，高于此閾值0.1mV對(duì)應(yīng)的是神經(jīng)元的閾上響應(yīng)，而低于此閾值0.1mV對(duì)應(yīng)的是神經(jīng)元的閾下響應(yīng).在這種刺激方案下，動(dòng)作電位的產(chǎn)生完全是由流向胞內(nèi)的Na+電流激活導(dǎo)致，而斜坡刺激的作用只是驅(qū)使閾下膜電壓以不同的去極化速率達(dá)到放電閾值.

　　3放電閾值的動(dòng)態(tài)特性

　　3.1放電閾值的可變性

　　神經(jīng)元的放電閾值不是一個(gè)固定值，而是具有高度可變性.這種可變性又被稱為閾值動(dòng)態(tài)(thresholddynamics)，它在神經(jīng)系統(tǒng)的許多區(qū)域內(nèi)都可以發(fā)現(xiàn)，如海馬[46-51]、視覺皮層[52-57]、軀體感覺皮層[58-63]、前額葉皮層[64-69]、新紋狀體[70-75]、小腦[76-79]、基底核[80-83]、丘腦[84]和背根神經(jīng)節(jié)[85,86]等.

　　列舉了這些區(qū)域內(nèi)一些常見神經(jīng)元的兩個(gè)放電閾值，用以說明閾值電壓在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的可變性.值得注意的是，前期報(bào)道神經(jīng)元放電閾值的電生理實(shí)驗(yàn)研究有很多，而表1只總結(jié)了其中的一個(gè)較高值和一個(gè)較低值.此外，列舉的放電閾值數(shù)據(jù)是基于胞體測量所得，而非軸突.這些數(shù)據(jù)顯示，在神經(jīng)系統(tǒng)的不同區(qū)域內(nèi)同類神經(jīng)元的放電閾值不同.

　　例如，L2/3錐體神經(jīng)元在視覺皮層[54,55]、軀體感覺皮層[58,59]和前額葉皮層[64,65]這三個(gè)區(qū)域內(nèi)的放電閾值存在很大差異，而多棘神經(jīng)元在新紋狀體[74,75]和基底核[84]這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的放電閾值同樣也存在很大差異.不僅如此，在神經(jīng)系統(tǒng)同一區(qū)域內(nèi)，同一類神經(jīng)元的放電閾值也不是固定不變，而是在一個(gè)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化.例如，海馬CA1區(qū)錐體神經(jīng)元的放電閾值在文獻(xiàn)[46]和[47]中的差異高達(dá)45.33mV左右，脊髓背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的放電閾值在文獻(xiàn)[85]和[86]中的差異高達(dá)31.9mV左右.此外，神經(jīng)元放電閾值的變化范圍也不是固定不變的.例如，海馬CA3錐體神經(jīng)元的放電閾值在文獻(xiàn)[50]中的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.3mV，而在文獻(xiàn)[51]中的標(biāo)準(zhǔn)差為3.6mV，后者是前者的12倍;新紋狀體內(nèi)Cholinergic神經(jīng)元的放電閾值在文獻(xiàn)[72]中的標(biāo)準(zhǔn)差僅為5.1mV，而在文獻(xiàn)[73]中的標(biāo)準(zhǔn)差卻高達(dá)13.62mV.

　　3.2閾值動(dòng)態(tài)的狀態(tài)依賴性

　　放電閾值的可變性并不是完全隨機(jī)的，而是具有一定的規(guī)律性.放電閾值的動(dòng)態(tài)變化受放電歷史特性控制，特別是放電前的閾下膜電壓狀態(tài).放電閾值對(duì)膜電壓狀態(tài)的這種依賴性又被稱為對(duì)膜電壓的適應(yīng)性[11,15,87]，或放電閾值適應(yīng)性.下面將從三個(gè)方面對(duì)動(dòng)態(tài)閾值的狀態(tài)依賴性進(jìn)行梳理和介紹.

　　4放電閾值動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生根源

　　放電閾值動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生與很多因素有關(guān)，包括Na+通道失活、K+通道激活、動(dòng)作電位記錄位置和起始位置之間的差異、離子通道噪聲、突觸電導(dǎo)波動(dòng)和細(xì)胞幾何形態(tài)等.

　　4.1Na+通道失活

　　Na+內(nèi)流導(dǎo)致膜電壓去極化，故而動(dòng)作電位起始過程與細(xì)胞膜上壓控Na+通道的激活和失活密切相關(guān).雖然Na+通道激活直接決定放電閾值，但是Na+通道失活也是調(diào)控放電閾值動(dòng)態(tài)的一個(gè)主要生物物理因素.這一結(jié)論已經(jīng)在多種神經(jīng)元中得到證實(shí)，例如貓視覺皮層錐體細(xì)胞[13,14]、大鼠體覺皮層細(xì)胞[32]、大鼠前額葉皮層L5錐體細(xì)胞[27]、大鼠海馬錐體細(xì)胞[35,93]、倉鸮下丘外側(cè)核細(xì)胞[11]和鳥類巨細(xì)胞核聽覺級(jí)聯(lián)神經(jīng)元[94]等.Wester和Contreras[37]采用多艙室模型詳細(xì)刻畫了Na+失活動(dòng)力學(xué)對(duì)AIS和胞體放電閾值動(dòng)態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Na+通道在超極化電壓處慢速失活時(shí)，Na+失活自身便足以使AIS和胞體產(chǎn)生與閾下dV/dt成反比關(guān)系的放電閾值.

　　Platkiewicz和Brette[15,87]指出降低Na+半失活電壓導(dǎo)致靜息狀態(tài)下部分Na+通道失活，進(jìn)而增強(qiáng)Na+失活對(duì)閾值動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)作用.事實(shí)上，Na+通道的激活動(dòng)態(tài)通�？煊谑Щ顒�(dòng)態(tài)，所以超過放電閾值的膜電壓去極化優(yōu)先導(dǎo)致Na+通道激活，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)作電位的快速上升相.但是，膜電壓去極化也誘發(fā)Na+失活，所以Na+通道激活與失活動(dòng)力學(xué)速率之間的不匹配使得放電起始過程對(duì)閾下去極化速率dV/dt十分敏感[13,14].

　　具體來說，當(dāng)閾下dV/dt較小時(shí)，Na+通道失活可以在閾下區(qū)域與激活同時(shí)進(jìn)行，這有效降低了可利用Na+通道數(shù)目，進(jìn)而增加放電閾值;相反，當(dāng)閾下dV/dt較大時(shí)，Na+通道可以在短時(shí)間內(nèi)快速激活，但是卻沒有足夠時(shí)間實(shí)現(xiàn)失活，這有效增加了可利用Na+通道數(shù)，進(jìn)而減小放電閾值.因此，放電閾值隨著閾下dV/dt增加而降低，二者之間呈現(xiàn)反比關(guān)系。

　　5放電閾值動(dòng)態(tài)對(duì)神經(jīng)元編碼的重要性

　　胞體放電閾值動(dòng)態(tài)能夠靈活塑造神經(jīng)元對(duì)閾上刺激的放電時(shí)刻，進(jìn)而增強(qiáng)其時(shí)間編碼能力.例如，Higgs和Spain[12]發(fā)現(xiàn)皮層錐體神經(jīng)元中低閾值Kv1通道電導(dǎo)通過控制放電閾值對(duì)閾下dV/dt的動(dòng)態(tài)依賴性，進(jìn)而影響細(xì)胞的精確放電時(shí)刻;Kuba和Ohmori[94]發(fā)現(xiàn)閾值動(dòng)態(tài)能夠調(diào)控巨細(xì)胞核對(duì)聽覺信息的精確時(shí)間編碼。

　　Cardin等人[105]發(fā)現(xiàn)放電閾值對(duì)閾下dV/dt的動(dòng)態(tài)依賴性通過控制視覺皮層細(xì)胞在同步突觸輸入下的放電時(shí)刻，進(jìn)而增加其放電準(zhǔn)確性;Henze和Buzsáki[35]指出突觸輸入特性和細(xì)胞固有電導(dǎo)通過調(diào)節(jié)海馬錐體神經(jīng)元的放電閾值，進(jìn)而影響動(dòng)作電位的精確產(chǎn)生時(shí)刻;Cudmore等人[28]指出低閾值Kv1通道電流通過調(diào)控海馬CA3區(qū)錐體細(xì)胞的放電閾值可變性，進(jìn)而影響放電時(shí)刻準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)同步性.胞體放電閾值動(dòng)態(tài)有利于增強(qiáng)神經(jīng)元對(duì)輸入信息的特征選擇能力.

　　例如，Wilent和Contreras[32]發(fā)現(xiàn)體覺皮層神經(jīng)元的放電閾值可變性能夠有效促進(jìn)放電輸出對(duì)特定感覺輸入的方向選擇性;Escabí等人[106]發(fā)現(xiàn)下丘神經(jīng)元對(duì)聲音特征的選擇性與它們和突觸后細(xì)胞的信息交流之間存在一種折中關(guān)系，而由突觸輸入導(dǎo)致的放電閾值可變性能夠解釋二者之間的折中關(guān)系;Azouz和Gray[13]發(fā)現(xiàn)放電閾值對(duì)膜電壓變化的動(dòng)態(tài)依賴性增強(qiáng)了同步突觸輸入下視覺皮層神經(jīng)元的暫態(tài)去極化響應(yīng)，進(jìn)而塑造皮層細(xì)胞的特征選擇性;Priebe和Ferster[107]提出放電閾值能夠增強(qiáng)視覺皮層細(xì)胞的方向選擇性、聽覺皮層細(xì)胞的頻率選擇性以及軀體感覺皮層的觸須選擇性;Mensi等人[24]發(fā)現(xiàn)新皮層L5錐體神經(jīng)元的放電閾值動(dòng)態(tài)可以以自適應(yīng)方式調(diào)節(jié)胞體積分的有效時(shí)間尺度，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)輸入信號(hào)快速波動(dòng)的選擇性;Huang等人[108]發(fā)現(xiàn)適應(yīng)性放電閾值能夠降低胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)的信息損失以及增強(qiáng)神經(jīng)元對(duì)高相關(guān)輸入的選擇性，進(jìn)而保證神經(jīng)元編碼的魯棒性和時(shí)序準(zhǔn)確性.

　　6結(jié)語與展望

　　放電閾值通過控制動(dòng)作電位的發(fā)放決定時(shí)空輸入下神經(jīng)元輸出的精確時(shí)序.放電閾值具有高度可變性，這種動(dòng)態(tài)特性對(duì)于理解神經(jīng)元輸入-輸出關(guān)系和時(shí)空編碼機(jī)制具有重要意義.多年來的相關(guān)研究主要從不同細(xì)胞的閾值電壓、放電閾值的動(dòng)態(tài)規(guī)律、閾值動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生根源和閾值動(dòng)態(tài)與神經(jīng)編碼之間關(guān)系等方面展開，而采用的技術(shù)手段主要為電生理實(shí)驗(yàn)、神經(jīng)計(jì)算模型或二者相結(jié)合方法.其中，大部分研究關(guān)注的是胞體的放電閾值，但也有一些研究探討胞體和AIS閾值之間的差異與聯(lián)系.

　　由于真實(shí)細(xì)胞或生物物理模型的動(dòng)作電位閾值并不是已知值，所以相關(guān)研究還針對(duì)在體實(shí)驗(yàn)、離體實(shí)驗(yàn)和神經(jīng)元模型提出了多種量化閾值電壓的方法.研究結(jié)果一致表明，放電閾值動(dòng)態(tài)不僅依賴于刺激輸入，更受神經(jīng)元的近期放電歷史控制，呈現(xiàn)狀態(tài)依賴性.同時(shí)，放電閾值在胞體和AIS兩個(gè)位置呈現(xiàn)非均勻分布，這種位置依賴性的產(chǎn)生與軸突動(dòng)作電位的反向傳播密切相關(guān).特別地，放電閾值對(duì)閾下膜電壓變化的依存性在很大程度上是一個(gè)由離子通道動(dòng)態(tài)、細(xì)胞幾何形態(tài)、突觸電導(dǎo)和軸突放電反傳等因素控制的確定性過程，幾乎不受噪聲影響.

　　從這個(gè)角度看，放電閾值動(dòng)態(tài)也是可興奮細(xì)胞的一個(gè)固有特性.作為一個(gè)固有特性，胞體閾值的可變性與放電起始動(dòng)態(tài)之間存在基本的生物物理聯(lián)系，而它對(duì)神經(jīng)元輸入-輸出轉(zhuǎn)化的影響也是多方面的，包括增強(qiáng)時(shí)間編碼、特征選擇、增益調(diào)控和同時(shí)偵測等能力.這些關(guān)于神經(jīng)元離子電流特性、空間幾何形態(tài)、放電閾值動(dòng)態(tài)和輸入-輸出轉(zhuǎn)化之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)有助于從機(jī)制上解釋神經(jīng)元及神經(jīng)回路的信息編碼過程.目前關(guān)于放電閾值動(dòng)態(tài)的研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，為理解神經(jīng)元興奮性、動(dòng)作電位起始過程以及輸入-輸出轉(zhuǎn)化提供了重要見解.但是，由于神經(jīng)元形態(tài)、離子電流和突觸輸入的復(fù)雜多樣性以及這些因素對(duì)放電閾值動(dòng)態(tài)的影響尚不明晰等原因，仍然存在一些問題與機(jī)制有待于進(jìn)一步研究.

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　　作者：伊國勝趙強(qiáng)魏熙樂王江**

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