神經所發現大腦皮層維持其興奮和抑制平衡的新策略

3月22日，《公共科學圖書館•生物學》（PLoS Biology）發表了中科院上海生命科學研究院神經所舒友生研究組的最新成果：大腦皮層維持興奮和抑制動態平衡的新機制，即神經元的膜電位水平可以調控反饋抑制的強度。該工作由朱潔、江漫、楊明坡和侯晗等合作完成。同期的PLoS Biology發表了題為「在皮層網絡中尋找平衡」（Finding Balance in Cortical Networks）的評論，對這項工作進行了專門介紹。

大腦皮層各種功能的正常發揮依賴於皮層中興奮和抑制的動態平衡。在皮層神經網絡中，興奮性的錐體神經元和抑制性的中間神經元通過突觸結構形成局部神經環路，這些環路是皮層中興奮-抑制平衡的結構基礎。一般認為，興奮性神經元發放的動作電位（數碼信號）沿軸突傳導至突觸前膜，通過突觸傳遞在抑制性神經元上產生興奮性突觸後電位（EPSP），如果達到特定的發放閾值，抑制性神經元會產生動作電位並在其支配的興奮性神經元上產生抑制性突觸後電位（IPSP），從而反饋抑制興奮性神經元。大腦皮層的電活動狀態與行為息息相關，那麼皮層又是如何在不同的電活動狀態下（即當神經元處於不同的膜電位水平時）維持興奮-抑制的動態平衡呢？

朱潔等在離體腦薄片上應用膜片鉗技術同時記錄多個皮層神經元，發現反饋性抑制受到突觸前錐體神經元膜電位的調控：錐體神經元的閾下膜電位去極化（興奮性提高）可增強其動作電位在突觸後錐體神經元上引起的雙突觸IPSP（抑制性增強）。進一步實驗證明，雙突觸IPSP的增強是由抑制性中間神經元所介導：突觸前去極化增大動作電位在抑制性中間神經元上誘發EPSP（膜電位依賴的模擬信號），並使其發放動作電位的概率和數目增加，從而介導IPSP的增強。這種膜電位依賴的EPSP和IPSP的變化由軸突D-電流（一種快激活但緩慢失活的鉀電流）所介導。

該研究揭示了大腦皮層動態維持其網絡中興奮和抑制平衡的新機制。由於皮層中這一平衡的破壞與癲癇、精神分裂症等神經系統疾病有關，這項研究成果可為相關疾病的臨床治療提供新思路。

該研究得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助。

太極圖顯示：大腦皮層中興奮性神經元（Excitatory）和抑制性神經元（Inhibitory）通過混和的數碼信號（101011……）和模擬信號（黃色曲線表示的膜電位依賴的調製信號）維持網絡中興奮和抑制的動態平衡。圖片由侯晗構思設計。