持续性内向电流对运动调节的研究进展与展望

王星宇

1 PIC的简介及其功能

1.1 PIC的研究历史

大量研究表明持续性内向电流（Persistent Inward Current，PIC）作为调控神经元持续、重复的兴奋的主要来源，广泛存在于中枢神经系统中［1-6］。Schwindt和Crill于1977年首次描述了在哺乳动物的运动神经元上描述了PIC［7］，紧接着于1980年两位科学家推断PIC的主要成分为Ca电流［8］。而之后一篇关于PIC可以调节中脑区神经元释放与运动相关的五羟色胺和去甲肾上腺素神经递质让人们把视角聚焦于PIC对运动的调控研究上［9］，随后的30多年中大量研究，有关PIC调控运动神经元的输入输出已取得了长足的进步，包括单独对运动神经元的非线性调节以及从中枢神经系统到肌肉之间的修饰作用。本文将目前对PIC调节运动相关的研究做一个总结，并提出目前尚未解决的一些问题，供后续研究参考。

1.2 PIC的功能

目前的研究中发现PIC主要有四种类型，包括对二氢吡啶敏感的Ca电流（包括Cav1.2和Cav1.3两种亚型）、对河豚毒敏感的Na电流［10］、对以上两种阻断剂均不敏感的TDRPIC［11］以及由N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）介导的突触电流［12］。其中Ca电流（Ca-PIC）和Na电流（Na-PIC）是PIC最主要的组成成分。不同的PIC对运动神经元的调节作用并不相同，PIC的功能可以总结为放大突触信号［13，14］、使输入达到饱和［15，16］、产生磁滞现象［17，18］、易化作用［20，21］以及直接参与调控运动的产生和节律的控制［12，22］等。本节结合最新的文章［23］将以上功能总结为表1的形式。

表1 PIC对运动神经元的调节功能总结表

2 PIC对人类运动神经元输出调控

对于PIC调控人的运动神经输出可以从一些人的运动单元呈现的放电模式与PIC的功能相似的实验中推知［24，25］，如前文对PIC功能的描述，PIC主要具备放大、饱和以及磁滞现象，而以上对于在动物实验中出现的现象同样出现在了人类的运动单元响应中，首先PIC的激活会使运动单元的驱动力显著增大，并导致运动神经元的放电频率快速增加。其次磁滞的现象可能反映着Ca-PIC通道开放所需的时间，一旦Ca-PIC完全激活，PIC对输入的敏感性将逐渐降低，从而达到类似动物实验中出现的饱和或平稳状态，这种状态具备随着Ca离子浓度增加而持续维持，这使得运动神经元具备抗失活能力。同样运动神经元的放电速率曲线也显示除了显著的磁滞现象，这种磁滞使得运动神经元的募集水平远高于去募集水平，PIC的促进和延迟也表现在短暂的兴奋性输入后的持续放电。

以上描述的PIC对运动的调节（包括放大、饱和、磁滞）都在被证实存在于人体的运动单元中，除此之外，研究还表明短暂的兴奋输入导致神经元持续激发的现象也存在于受试者的运动单元上［26-28］。并且除以上与动物实验类似的实验现象外，最新研究证实了人类运动单元的放电速率突增是由于PIC的快速激活引起的，并且证实了激活速率饱和是由于神经元树突上的PIC去极化导致的［29］。与猫的实验相同的是，人的运动单元在达到饱和状态时也对外部输入变得不敏感［30］，以上均在不同角度说明人的运动单元与PIC的调控有着千丝万缕的联系。

在2015年的一篇研究中提出了一种新的方法用于估计人类被试的PIC大小［31］，该方法主要使用了观测人类运动单元输出的募集和去募集差值，该差值体现了PIC磁滞现象导致的频率之差，因此被称为ΔF技术，该方法现以被用作估计脑干单胺能的输入强度。

从人类日常的运动角度来看，PIC对控制运动的神经信号的放大和保持持续是最重要的方面。从猫的实验中我们可以推知自持续放电对于控制姿势的维持尤为重要。于此同时PIC对突触输入的放大作用也是调控躯体运动系统输入输出增益的手段，PIC提供了一种低输入高增益的运动调节机制。对于产生短时间产生较强力量的运动，PIC可能在其中扮演着极为重要的角色，目前人类被试的实验也为这一假说提供了一致的证据［32］。

根据以上大量的研究数据为线索，可以推测通过单胺类神经递质的兴奋和抑制可以灵活地控制PIC，从而进一步使运动单元产生多种响应。通过人与动物实验如此多的共同点，可以猜想神经元兴奋性与广泛的运动模式存在一定的统一性，即兴奋性与运动输出是相匹配的。

3 研究展望

截至目前，PIC已经被研究了40余年，其在运动控制的作用一直是研究者们关注的重点。对于从机制的角度了解运动本身来讲，由于PIC对运动调控具有直接且重要的调节作用，因此了解并研究PIC是非常重要的研究。但目前对于复杂运动的兴奋变化与PIC的功能的精确匹配仍没有找到明确的方法，所以在未来的研究中，无论是从模拟还是生理实验的角度都需要做更为复杂和精准的研究。其实，ΔF技术现虽然已被广泛的使用，但实验表明不同肌肉的ΔF差异非常大［33］，但目前仍不清楚该差异在运动控制中有着怎样的意义，在未来的研究中可能需要大量的关于人体各个肌肉的ΔF的统计，才能更充分地了解这种差异背后的功能。最后对于PIC而言，TDRPIC作为一种特殊的PIC在运动调节中有着怎样的作用也是目前研究尚待解决的问题。