兴奋性是神经元最重要的基本性质之一。长时期以来尽管人们对兴奋性的表现方式，通道电流机制及其变化规律有相当深入的研究，然而对于神经元在刺激条件下为什么会产生不同的反应，在相同离子电流参于下何以出现多种多样的放电模式，以及噪声对兴奋性的作用等基本问题仍然了解得很少。本项研究通过电生理实验与非线性理论的结合，对几个涉及兴奋性的基本问题展开了探索性研究，以揭示兴奋性的主要非线性特征，深入认识兴奋性的本质过程。 第一部分三叉神经中脑核（Mes V） 神经元兴奋性的分类与转型兴奋性是指可兴奋细胞受到刺激时产生动作电位(action potential，AP)的能力。传统观念以阈值高低或产生AP 的多少衡量兴奋性的高低。1948年Hodgkin 在研究甲壳类动物轴突的时候，首次按放电频率与刺激电流强度之间的关系将兴奋性分为三种类型，但未引起足够的注意。80 年代以来随着非线性理论与计算技术的发展，理论学家们运用数学模型论证了兴奋性的分类与其动力学机制。然而在实际的神经元，特别是哺乳动物的神经元，是否存在兴奋性分类以及分类形成的机制和内在联系尚不清楚。本项研究对这一问题进行了探试，不仅在哺乳动物的神经元上证实了兴奋性的分类，还发现了兴奋性转型现象。显然随着对兴奋性分类的深入研究，必将超越传统观念的局限性，为进一步探索兴奋性的内在本质过程奠定基础。 实验选择幼鼠三叉神经中脑核（Mes V）神经元为标本，在利用红外直视显微镜结合电生理膜片钳（电流钳和电压钳）和药理学技术的基础上展开。 主要结果： 1、对140 个Mes V 神经元施加去极化方波刺激，观察到三种兴奋性类型。 1 类兴奋性神经元（9/140）：阈值电流较低，放电前存在潜伏期，放电频率随着刺激电流强度的增强而逐渐增加。2 类神经元（55/140）：阈值电流较高，首个AP 之前没有潜伏期，达到阈值后，AP 成串出现，放电频率对刺激电流的强度相对不敏感。3 类神经元（76/140）：不仅阈值电流较高，通常只产生1 个AP，高强度刺激( > 1000 pA) 才产生3－5 个AP。 2、去极化斜波刺激：1 类神经元的放电频率随着膜电位的逐渐去极化由低到高，呈线性增加，动作电位之前没有出现阈下膜电位振荡(SMPO)。2类神经元在膜电位去极化的过程中出现了SMPO，放电频率相对恒定。3 类神经元没有出现AP。 3、50 μM 4-AP(低剂量选择性阻断I4-AP) 分别使2 类和3 类兴奋性神经元转变为1 类神经元。 4、2 μM riluzole (一种持续Na+通道(INaP) 非特异性阻断剂)能使2 类神经元转变为3 类神经元，对3 类神经元却无明显影响。 5、当4-AP阻断I4-AP使2 类兴奋性神经元转型变为1 类时，随后再施加riluzole，此时阻断INaP不是恢复I4-AP，却可使1 类兴奋性返回到2 类兴奋性。当riluzole使2 类兴奋性神经元转变为3 类，继之再施加4-AP，此时阻断I4-AP不是恢复INaP，又可使其返回2 类。我们把上述兴奋性分类转变的现象称之为兴奋性转型(transformation of excitability)。 6、在上述神经元兴奋性转型的过程中，可出现具有不同类型混合特征的复杂放电模式，我们称之为中间态(intermittent phenomiral)。 7、钾通道阻断剂TEA(20 mM)，Ih电流特异阻断剂ZD 7288(10 μM)以及钙通道阻断剂Cd2+(300 μM)对兴奋性的类型没有产生显著影响。 8、2 类和3 类神经元的I4-AP在激活电压位置、V1/2和k三方面存在显著性差异。当去极化达到并且超过-56 mV以后，I4-AP在2 类兴奋性神经元中的平均幅值明显地小于3 类神经元中的平均幅值。2 类和3 类神经元的INaP在上述三方面以及平均幅值上没有显著性差异。 9、Mes V 神经元数学模型近似地模拟了实验中所观察到的兴奋性分类和转型现象，揭示了兴奋性分类与动力学分岔之间的关系(数学模型工作由刘一辉博士完成，详见其博士论文)。 主要结论： 1、首次证实Mes V 神经元存在三种兴奋性类型，并且用去极化斜波方式能简便地检测兴奋性类型。 2、发现了神经元兴奋性转型现象，揭示了介导Mes V神经元兴奋性转型的主要离子通道机制是I4-AP and INaP 相对比例的动态变化。 3、在兴奋性转型过程中可出现“中间态”放电模式。 4、兴奋性分类与转型的实验结果得到了神经元数学模型的理论验证。 第二部分噪声提高Mes V 神经元兴奋性及其与共振性质的关系近年神经科学与非线性科学交叉研究的一项重大进展，是发现适当强度的噪声可以增强感受器对弱信号的检测能力。理论模型研究进一步提示神经元可以通过随机共振或自共振方式接受噪声的影响。实际上，神经元生存在噪声环境，如离子通道的随机开闭，递质的随机释放等。然而在脑内，神经元的活动是否以及如何接受噪声的影响却了解很少。 部分神经元存在对输入频率选择性放大的性质，即频率共振(frequencyresonance)性质，阈下膜电位振荡被看作是频率共振放大的表现。本研究通过观察与比较噪声对上述三类兴奋性神经元的作用，揭示噪声对兴奋性的作用及其与共振性质的关系，进而为深入阐明噪声在神经系统的作用机制提供了新的线索。 实验材料与方法除与第一部分相同外，增加了高斯白噪声和ZAP（一种幅值恒定而频率随时间连续线性增加的正弦电流）两种细胞内注入刺激方式。 主要结果： 1、2 类兴奋性神经元出现了双重的电压依赖性共振，即存在高低两个共振主频：其中去极化达-50mV 时共振主频为75.4 ± 2.11 Hz，超极化达-70mV 时的共振主频为5.46 ± 0.31 Hz。 2、50 μM 4-AP 可使高频共振主峰消除，但不影响低频共振主峰。10 μM ZD7288 可使低频共振主峰消除，但不影响高频共振主峰。 3、1 类神经元上没有观察到明显的共振现象。 4、部分(13/21)3 类神经元上也存在高低两个共振主频，主频位置和共振电流与2 类神经元近似。 5、在2 类兴奋性神经元，一定强度范围内的噪声，能够降低出现SMPO 的膜电位水平，其降低程度随噪声强度而增大。 6、在2 类兴奋性神经元，一定强度范围内的噪声降低产生首个AP 的膜电位水平。当噪声强度增大时不仅AP 阈值降低程度增大，而且放电数目增加，放电节律性也相应增强。当达到最佳噪声强度时(range: 150-250，n = 10)，放电节律性与噪声强度之间的关联性(β值)最佳；随后，噪声继续增大，放电数目虽然增多，放电序列却杂乱无序，关联性下降。 7、riluzole 抑制2 类神经元SMPO 的同时也消除噪声对神经元的兴奋性作用。 8、噪声对1 类(n = 12)和3 类(n = 20)神经元没有产生明显的影响。 主要结论： 1、2 类兴奋性神经元分别在去极化与超极化水平存在两个共振主频，分别由I4-AP和Ih介导。 2、噪声能够通过降低出现SMPO和放电阈值的膜电位水平来提高2 类神经元的兴奋性，并改善放电的节律性。 3、噪声对2 类神经元兴奋的调变作用依赖于SMPO 的存在，其通道电流机制尚需进一步探讨。 第三部分坐骨神经“起步点” 反应性与动力学状态的关系长期以来，人们对处于静息背景状态下的神经元对刺激的反应规律有了相当充分的了解，然而，对处于活动（放电）状态下的神经元的刺激反应规律却了解得较少。本研究室的前期工作以及相关研究表明神经元的反应依赖于放电节律的动力学状态。 加周期分岔过程是可兴奋细胞中的一个非线性现象。本研究力图判定当神经元活动处于分岔不同时相的动力学状态时，其反应性(也称兴奋性)可能发生的变化。 实验采用单纤维记录技术，引导大鼠受损坐骨神经“起步点”的放电活动，改变细胞外液中Ca2＋离子浓度，使“起步点”放电活动分别处于不同的动力学时相。局部施加方波电场刺激。 主要结果： 1、在受损坐骨神经的A 类纤维上成功复制了加周期分岔的全过程，并可区分临近分岔点与远离分岔点等不同时相。 2、在远离分岔点时相对神经纤维施加去极化方波电场刺激，随着刺激强度的增加，放电频率近似线性增加，放电模式基本不变；在临近分岔点时相，施加与上述相同的去极化刺激，当达到一定强度时放电频率显著增加，伴有放电模式的转化。临近分岔点的刺激－反应曲线较远离分岔点的曲线显著上移。 3、在临近分岔点时相，施加相同强度的超极化刺激仅轻度降低放电频率，也没有出现放电模式的转化。 主要结论： 实验结果提示当神经纤维异位放电“起步点”处于邻近分岔点时相，对电场刺激的反应较远离分岔点时相的反应敏感，并具有方向选择性，我们称之为“临界敏感”现象。该现象进一步支持本研究室关于神经元的反应性依赖于放电节律动力学状态的假说。