環(huán)境溫度對(duì)中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動(dòng)的影響

鄧昕旸+晁賀+王勇+王麗文+梁傳成

摘 要 應(yīng)用微電極電生理技術(shù)記錄不同環(huán)境溫度下中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動(dòng)，觀察環(huán)境溫度對(duì)中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動(dòng)的影響，探討生理性體溫調(diào)節(jié)在中華蟾蜍體溫調(diào)節(jié)中的作用.結(jié)果，中華蟾蜍間腦松果體和下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電頻率和放電幅度隨環(huán)境溫度的升高而升高，呈興奮性變化，相關(guān)顯著，表明松果體和下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元對(duì)高溫環(huán)境較敏感，參與了降溫過(guò)程的體溫調(diào)節(jié)，但下丘腦視前區(qū)前部較松果體變化明顯；下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率和放電幅度隨溫度的升高而降低，呈抑制性變化，相關(guān)顯著，表明下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元對(duì)低溫敏感，參與了升溫過(guò)程的體溫調(diào)節(jié).

關(guān)鍵詞 環(huán)境溫度；中華蟾蜍；間腦；電活動(dòng)；體溫調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào) Q42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2537（2017）03-0027-05

Impact of Ambient Temperature on Electrical Activities of

Bufo Gargarizans Diencephalon Neurons

DENG Xin-yanga， CHAO Hea， WANG Yongb， WANG Li-wena， LIANG Chuan-chenga*

（a.College of Life Science， b.Experiment Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract The objective of this study is to probe the impact of ambient temperature on physiological thermaregulation in Bufo gargarizans. The microelectrode technique was employed to record extracellularly spontaneous electrical activities of neurons in diencephalon of Bufo gargarizans at different ambient temperatures. Our results show that， as ambient temperature increases， the firing frequency， amplitude of neurons of anterior hypothalamus and pineal gland were also found increased. Significant correlations among them were observed， indicating that neurons in anterior hypothalamus and pineal gland are sensitive to the high temperature environment， and they are all involved in body temperature adjustment. We also found that changes in the anterior hypothalamus were more pronounced than those in pineal gland. The firing frequency and amplitude of neurons in posterior preoptic areas were seen decreased as the ambient temperature increased， suggesting that there was an inhibition process going on in posterior preoptic areas. This mechanism indicates that neurons in the posterior preoptic area are more sensitive to low temperatures and they play important roles in the process of fervescence.

Key words ambient temperature； Bufo gargarizans； diencephalon； electrical activities； thermoregulation

動(dòng)物感知外界溫度，躲避對(duì)自身有害的氣候環(huán)境，調(diào)節(jié)體溫，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[1].恒溫動(dòng)物通過(guò)下丘腦體溫調(diào)定點(diǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)制引起產(chǎn)熱和散熱活動(dòng)，還可改變代謝速率，以維持體溫的相對(duì)穩(wěn)定.變溫動(dòng)物則通過(guò)行為性體溫調(diào)節(jié)方式來(lái)維持自身的優(yōu)選最適溫度[2-5]，它們的體溫在一定范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度的變化而變化[6].研究表明，變溫動(dòng)物的體溫與環(huán)境溫度呈正相關(guān)，但在環(huán)境溫度較低時(shí)體溫略高于環(huán)境溫度，環(huán)境溫度較高時(shí)體溫又略低于環(huán)境溫度，說(shuō)明變溫動(dòng)物除具有行為性體溫調(diào)節(jié)能力外，還具有一定的生理性體溫調(diào)節(jié)能力[7-8].

大量的哺乳動(dòng)物體溫與體溫調(diào)節(jié)機(jī)制研究表明其體溫調(diào)節(jié)中樞位于下丘腦視前區(qū)[9-16].而有關(guān)變溫動(dòng)物體溫的生理性調(diào)節(jié)研究相對(duì)較少，Charles等在對(duì)蜥蜴的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，松果復(fù)合體對(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感，可能具有溫度調(diào)節(jié)作用[17].Kenia 和Lui在對(duì)兩棲類和爬行類動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，下丘腦被損毀的牛蛙（Rana catesbeiana）其正常的體溫調(diào)節(jié)行為受到干擾；注射脂多糖并不能使下丘腦視前區(qū)損毀的蟾蜍其體溫發(fā)生改變[18].尹書明等人研究發(fā)現(xiàn)，荒漠沙蜥具有一定程度的生理性調(diào)節(jié)體溫能力，下丘腦視前區(qū)參與了荒漠沙蜥對(duì)體溫的調(diào)節(jié)整合過(guò)程[19].王喆等人發(fā)現(xiàn)荒漠沙蜥松果復(fù)合體通過(guò)調(diào)節(jié)褪黑激素的分泌影響產(chǎn)熱和體溫變化，以此來(lái)影響和參與體溫調(diào)節(jié)[20].由此可見(jiàn)，下丘腦作為變溫動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)中樞已經(jīng)得到初步證實(shí)，間腦的松果體也參與了變溫動(dòng)物的生理性體溫調(diào)節(jié)，但還缺乏足夠證據(jù).為此，作者以中華蟾蜍Bufo gargarizans為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用微電極電生理技術(shù)，記錄中華蟾蜍間腦松果體、下丘腦視前區(qū)前部和后部神經(jīng)元在不同環(huán)境溫度下的電活動(dòng)，觀察環(huán)境溫度對(duì)其神經(jīng)元電活動(dòng)的影響，探討其在體溫調(diào)節(jié)中的作用，豐富變溫動(dòng)物生理性體溫調(diào)節(jié)的資料.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)用中華蟾蜍購(gòu)自沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院，為體質(zhì)量35～40 g的雄性成體.室內(nèi)養(yǎng)殖，養(yǎng)殖溫度為（22±2） ℃，箱內(nèi)水深2 cm，自然光照.隔日向養(yǎng)殖箱內(nèi)投放面包蟲.實(shí)驗(yàn)中每個(gè)溫度梯度各用中華蟾蜍5只.實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上交實(shí)驗(yàn)中心統(tǒng)一處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程符合相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定及道德倫理要求.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溫度控制裝置 控溫系統(tǒng)為自制的控溫裝置[21].該裝置為一個(gè)長(zhǎng)40 cm，寬20 cm，高15 cm，壁厚1.8 cm具有保溫性的聚苯乙烯盒.盒蓋上有2個(gè)圓形小孔，一個(gè)用于固定溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)溫度，另一個(gè)小孔用于玻璃微電極及引導(dǎo)電極導(dǎo)線進(jìn)出口.盒內(nèi)溫度由放置不等量的冰塊來(lái)控制，盒內(nèi)溫度能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求溫度±1 ℃，每個(gè)溫度梯度可維持6～9 h.

1.2.2 電生理記錄 對(duì)中華蟾蜍間腦松果體、視前區(qū)前部、視前區(qū)后部3個(gè)部位神經(jīng)元應(yīng)用微電極電生理技術(shù)在6個(gè)不同環(huán)境溫度 （5，10，15，20，25和30 ℃）的放電活動(dòng)進(jìn)行在體胞外記錄.將用鹽酸普魯卡因局麻后的中華蟾蜍固定于解剖板上，常規(guī)手術(shù)方法快速暴露間腦.滴加任氏液后置于已調(diào)好溫度的溫度控制裝置內(nèi)，馴化1 h后進(jìn)行電生理實(shí)驗(yàn)記錄放電活動(dòng).用WF-2型微電極推進(jìn)器（西北光學(xué)儀器廠）將內(nèi)充3 mol/L KCl尖端直徑小于1 μm、阻抗5～20 MΩ的玻璃微電極分別插入松果體、視前區(qū)前部、視前區(qū)后部3個(gè)部位.電極記錄位置以松果體橫向和縱向中軸線為0，松果體：0前300 μm，0后500 μm，左右300 μm，深度為0～200 μm；下丘腦視前區(qū)前部：0前200 μm，左右130 μm，深度為1 000～1 500 μm；下丘腦視前區(qū)后部：0后100 μm，左右130 μm，深度為1 050～1 450 μm.放電信號(hào)經(jīng)由WF-IB型高阻微電極放大器（成都儀器廠）放大后進(jìn)入RM6240型（成都儀器廠）信號(hào)采集處理系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上觀察并記錄3個(gè)部位神經(jīng)元的電活動(dòng).每個(gè)溫度梯度記錄3 h.實(shí)驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)間腦不同部位神經(jīng)元在不同溫度下的放電單位數(shù)量、放電頻率和放電幅度，并對(duì)環(huán)境溫度與間腦神經(jīng)元的電活動(dòng)進(jìn)行相關(guān)性分析.

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Office 2010 Excel繪圖，SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（X±SD）表示.用單因素方差分析（one-way ANOVA）分析組間差異，多重比較采用Tukey檢驗(yàn).P<0.05即認(rèn)為差異極顯著.

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境溫度對(duì)中華蟾蜍間腦神經(jīng)元電活動(dòng)的影響

實(shí)驗(yàn)在間腦3個(gè)部位共記錄了982個(gè)放電單位，其中松果體305個(gè)，下丘腦視前區(qū)前部317個(gè)，下丘腦視前區(qū)后部360個(gè).結(jié)果顯示（圖1）松果體和視前區(qū)前部的變化一致，其放電活動(dòng)隨著環(huán)境溫度的升高而增加.視前區(qū)后部神經(jīng)元放電活動(dòng)隨環(huán)境溫度的升高而降低.

2.2 環(huán)境溫度對(duì)中華蟾蜍間腦神經(jīng)元放電頻率和放電幅度的影響

不同環(huán)境溫度下間腦3個(gè)部位神經(jīng)元放電幅度和放電頻率的變化見(jiàn)圖2和圖3.松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元放電頻率的變化趨勢(shì)一樣，隨著環(huán)境溫度的升高而加大.但視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電頻率在環(huán)境溫度達(dá)20 ℃時(shí)明顯高于松果體.視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率則隨環(huán)境溫度的增高而降低.不同環(huán)境溫度下3個(gè)部位神經(jīng)元放電幅度的變化與放電頻率的變化相似，松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電幅度隨環(huán)境溫度的升高而增大，視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電幅度在環(huán)境溫度15 ℃時(shí)有所增大，此后則隨溫度的升高而降低，在30 ℃時(shí)降低顯著.

2.3 環(huán)境溫度與間腦神經(jīng)元電活動(dòng)的相關(guān)性分析

3個(gè)部位神經(jīng)元的電活動(dòng)與環(huán)境溫度都具有相關(guān)性，且相關(guān)顯著（P<0.05）.放電頻率與環(huán)境溫度的相關(guān)性見(jiàn)圖4.松果體神經(jīng)元的放電頻率與環(huán)境溫度呈直線相關(guān)，相關(guān)方程y=2.615x-4.105 6，相關(guān)系數(shù)r=0.96；視前區(qū)前部和視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電頻率與環(huán)境溫度均呈冪相關(guān)，相關(guān)方程和相關(guān)系數(shù)分別是y=0.589 2x1.658 7，r=0.99；y=568.2x-1.608，r=0.99；放電幅度與環(huán)境溫度的相關(guān)性見(jiàn)圖5.松果體和視前區(qū)前部神經(jīng)元的放電幅度與環(huán)境溫度均呈線性相關(guān)，相關(guān)方程和相關(guān)系數(shù)分別為y=12.544x+34.413，r=0.97；y=7.724 6x+113.79，r=0.95；視前區(qū)后部神經(jīng)元的放電幅度與環(huán)境溫度呈多項(xiàng)式相關(guān)，相關(guān)方程y=-0.865 6x2+18.623x+349.46，相關(guān)系數(shù)r=0.92.

3 討論

在哺乳動(dòng)物中，下丘腦被認(rèn)為是體溫調(diào)節(jié)的高級(jí)中樞，其中下丘腦視前區(qū)前部對(duì)機(jī)體的體溫起著主導(dǎo)作用[22].下丘腦同樣是低等脊椎動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)中樞，對(duì)維持動(dòng)物體溫的相對(duì)穩(wěn)定起到了一定的作用[7，23].筆者在對(duì)中華蟾蜍下丘腦視前區(qū)前部及松果體神經(jīng)元電生理學(xué)特性的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，這兩個(gè)部位神經(jīng)元的放電頻率、放電幅度均逐漸升高，但松果體的放電幅度明顯低于視前區(qū)前部.推測(cè)下丘腦視前區(qū)前部及松果體的神經(jīng)元主要對(duì)高溫環(huán)境較敏感，參與了降溫過(guò)程中的體溫調(diào)節(jié).下丘腦視前區(qū)后部神經(jīng)元的電生理特性正好與視前區(qū)前部相反，其放電幅度、放電頻率均隨溫度的升高而降低，推測(cè)視前區(qū)后部對(duì)低溫環(huán)境較為敏感，主要參與了升溫過(guò)程的體溫調(diào)節(jié).這與變溫動(dòng)物的體溫在環(huán)境溫度較低時(shí)體溫略高于環(huán)境溫度，環(huán)境溫度較高時(shí)體溫又略低于環(huán)境溫度相一致[6-8].且環(huán)境溫度的變化與中華蟾蜍下丘腦視前區(qū)神經(jīng)元的電活動(dòng)相關(guān)顯著，與尹書明和劉重斌的研究荒漠沙蜥的下丘腦視前區(qū)參與了荒漠沙蜥對(duì)體溫的調(diào)節(jié)整合過(guò)程相一致[5，19]，進(jìn)一步說(shuō)明變溫動(dòng)物一定的生理性體溫調(diào)節(jié)和哺乳動(dòng)物一樣來(lái)自下丘腦[5，16].此外，中華蟾蜍松果體神經(jīng)元的電活動(dòng)與環(huán)境溫度也呈顯著相關(guān)，與王喆等人在荒漠沙蜥松果復(fù)合體的研究結(jié)果相似[20]，表明松果體也參與了變溫動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié).

此外，下丘腦視前區(qū)前部神經(jīng)元可以合成、分泌和釋放多種促激素、神經(jīng)膚和神經(jīng)遞質(zhì)，同時(shí)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的其他部位有廣泛的纖維聯(lián)系[28]，接受多種來(lái)自其他部位的信息分子，參與哺乳動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)[24-27].下一步工作將研究這些激素等物質(zhì)是否參與了變溫動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié).

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