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行进运动(locomotion)是脊髓动物最基本的一种运动形式,比如人的行走,鸟的飞翔,马的奔跑都是行进运动。研究行进运动不仅对揭示生物运动的机制非常重要,而且对现代人工智能运动控制的研究也起到至关重要的作用。研究表明,行进运动是由中脑运动区MLR(Mesencephalic Locomotor Region)引发和控制,而这个区域中的五羟色胺(5-HT)神经元在运动控制中扮演着重要的角色。由于技术上的困难目前对这个区域5-HT神经元的研究还较少,特别是神经递质对其兴奋性的调节作用尚不清楚。我所在实验室最近开展的研究中发现了5-HT神经元一些独特的细胞膜特性以及神经递质调节的作用,但是由于神经系统的复杂性,导致这些现象产生的机制还不能通过生理实验去详细证明。基于此,本文根据小鼠中脑MLR区域内的5-HT神经元的实验数据,运用NEURON软件仿真建立了一个五舱室的5-HT神经元模型,并运用这个模型探究了神经递质NMDA对小鼠中脑5-HT神经元兴奋性的调节机制。这个模型包含六种离子通道:瞬时钠离子通道(NaT),延迟整流钾离子通道(K(DR)),持续性钠离子通道(NaP),依赖钙的SK型钾离子通道,依赖钙的BK型钾离子通道和L型的钙离子通道(CaL),此外在模型的树突上包含了一个受神经递质NMDA调节的配体门控离子通道。这个模型可以完全模拟5-HT神经元的细胞膜特性。生理实验发现,NMDA(10微摩尔)能够增强5-HT神经元的兴奋性,主要表现为两点:(1)降低(超极化)5-HT神经元产生动作电位的电压阈值2.3±0.8mV(n=20);(2)向左移动神经元的频率-电流关系(F-I relationship)(?I=-2.0±0.9 pA),同时伴随着F-I直线斜率的下降(?K=-0.1±0.1 Hz/pA)。模型仿真的结果表明:NMDA不能使电压阈值产生明显的超极化,为此本文提出NMDA可能与其它离子通道存在耦合关系,共同作用改变了电压阈值。过去的研究表明,瞬时钠离子通道(NaT)和延迟整流钾离子通道(K(DR))参与调节神经元的兴奋性,本文模型仿真的结果显示:NMDA改变这两种离子通道的电流时,可以使电压阈值超极化达到生理实验观测到的数值,但此时神经元的F-I关系与生理实验观察到的斜率下降的现象不符。鉴于此,本文进一步提出L型钙离子通道参与了调节F-I关系的假设,模型仿真的结果证实了这一推测。综上模型仿真的实验结果:(1)NMDA通过超极化K(DR)离子通道的激活曲线4.5 mV以及超极化NaT离子通道的激活曲线3 mV,可以降低5-HT神经元的电压阈值2.6 mV(符合生理实验范围);(2)在此基础之上,NMDA通过增大CaL通道的电导33%,可以使神经元的F-I关系产生符合生理实验观察的变化。本文研究的结论是:(1)神经递质NMDA对5-HT神经元的兴奋性具有增强作用,电压阈值的调节可能通过与瞬时钠离子通道和延迟整流钾离子通道的耦合作用来完成,使电压阈值出现超级化现象;(2)NMDA对5-HT神经元的FI关系的调节可能主要通过与L型钙离子通道的耦合作用来实现。它们共同调节使F-I关系左移和直线斜率下降。本文基于模型仿真的研究结果能够为后续的生理实验以及人工智能运动控制的研究工作提供预测和指导意见,促进神经生理以及人工智能在脊髓运动控制领域的研究与发展。