軸突起始節(jié)（axon initial segment，AIS）位于神經(jīng)元的軸突近胞體端，在神經(jīng)元上起著非常重要的作用，比如：爆發(fā)動(dòng)作電位，維持細(xì)胞極性，調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性以適應(yīng)來(lái)自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短期或長(zhǎng)期的變化。雖然AIS的結(jié)構(gòu)在1960年就已被研究清楚，但是對(duì)于它的功能的研究最近幾年才有進(jìn)展。那么AIS在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有著怎樣的功能，它是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性的，又是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)元的輸入輸出關(guān)系的呢？
對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元的研究，人們往往比較關(guān)注的是胞體和樹(shù)突，特別是樹(shù)突棘，因?yàn)樗鼈儗?duì)于整合突觸輸入以及調(diào)節(jié)神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)非常重要，相反，神經(jīng)元的軸突部分一直被認(rèn)為是一個(gè)靜態(tài)輸出工具。然而事實(shí)并非如此，越來(lái)越多的證據(jù)表明，軸突在調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性方面起到了非常重要的作用。
軸突上靠近胞體端的位置上有一個(gè)特殊的部位，叫做軸突起始節(jié)（AIS），該部位是動(dòng)作電位的爆發(fā)的起始位點(diǎn)。諸多研究表明，AIS在發(fā)育過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)幾次結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能有短期或長(zhǎng)期的變化，進(jìn)而影響神經(jīng)元的輸出以及神經(jīng)元在網(wǎng)絡(luò)中的功能。我們通常稱(chēng)AIS的變化為AIS可塑性（AIS plasticity），AIS可塑性體現(xiàn)在三方面：（1）AIS能夠在軸突上移動(dòng)，使得自身更加靠近胞體或者遠(yuǎn)離胞體；（2）AIS的長(zhǎng)度能夠發(fā)生改變；（3）AIS的分子架構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變?？傊?，神經(jīng)元會(huì)從這三方面來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)AIS，使其適應(yīng)自身所處的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化。
神經(jīng)科學(xué)先驅(qū)Santiago Ramón y Cajal在1937年最先發(fā)現(xiàn)軸突并不都是從胞體長(zhǎng)出來(lái)的，有些軸突是從樹(shù)突分支出來(lái)的。因此，AIS的位置也不盡相同，有些種類(lèi)細(xì)胞的AIS起始于胞體，而有些種類(lèi)的細(xì)胞的AIS起始于樹(shù)突，如圖1(A)所示。不同AIS的表型對(duì)于神經(jīng)元的興奮性以及動(dòng)作電位爆發(fā)特性有著非常重要的影響。
圖1. 軸突起始節(jié)和它的分子組成。(A)左圖為第二、三皮層的錐體神經(jīng)元的熒光圖，紅色指示整個(gè)神經(jīng)元，黃色指示AIS，箭頭指示AIS的起始端和結(jié)束端；右圖為兩種不同形態(tài)細(xì)胞的卡通圖，兩種細(xì)胞的軸突分別起源于胞體和樹(shù)突。(B) 上圖為第二、三皮層的錐體神經(jīng)元的熒光圖，紅色指示目標(biāo)細(xì)胞，藍(lán)色指示其鄰居細(xì)胞，黃色指示AIS（黃色熒光蛋白標(biāo)記的βIV-spectrin，一種AIS上特有的蛋白質(zhì)）；下圖為上圖黃色框部分的分子結(jié)構(gòu)。(Bender and Trussell, 2012; Kole and Stuart, 2012)
AIS，軸突起始節(jié)，顧名思義，就是位于軸突起始的部位，但是軸突靠近胞體的那一部分就是AIS嗎？AIS的起始端和結(jié)束端又如何定義呢？
AIS是由它的分子架構(gòu)所定義的，它由一種特殊的細(xì)胞骨架蛋白及其上面結(jié)合的很多其他蛋白質(zhì)所組成，這些蛋白質(zhì)都是軸突其他部分所沒(méi)有的，如圖1(B)所示。 ankyrin-G（ankG）是AIS上的一種主要的且特有的骨架蛋白，由ANK3這個(gè)基因編碼，具有三種亞型，分子量分別為480kDa，270kDa和190kDa。ankG由一種模塊蛋白組成，這種模塊蛋白可以連接綁定細(xì)胞膜和血影蛋白，有富集絲氨酸的尾巴和富集羥基的區(qū)域。ankG靠近細(xì)胞膜的一端錨定了許多膜蛋白，比如：電壓門(mén)控的離子通道、神經(jīng)束蛋白（neurofascin）等，靠近細(xì)胞內(nèi)部的一端連接了軸突中的微管，這使得AIS的分子架構(gòu)較為穩(wěn)定。此外，480kDa亞型的ankG還與GABAA受體相關(guān)蛋白（GABARAP）有相互作用，起到了穩(wěn)定GABA能突觸的作用。
AIS上沒(méi)有核糖體，但是有光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，也稱(chēng)為池狀細(xì)胞器（cisternal organelle，CO），其存儲(chǔ)了大量的Ca2+離子，動(dòng)作電位的產(chǎn)生恰恰需要快速的Ca2+電流。GABA能中間神經(jīng)元能夠在某些重要神經(jīng)元的AIS上形成突觸，這些突觸通常都位于CO附近，在發(fā)育的過(guò)程中，GABA能中間神經(jīng)元會(huì)重塑他們的突觸末端，突觸后的AIS也會(huì)隨之成熟。
由于AIS由諸多骨架蛋白以及上面綁定的許多蛋白組成，AIS成為了胞體與遠(yuǎn)端軸突之間的“屏風(fēng)”，使得細(xì)胞具有極性。有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，當(dāng)把a(bǔ)nkG敲除后，AIS的骨架受到破壞，細(xì)胞也不再具有極性。2003年，Nakakda等人提出了‘尖樁籬柵（picket fence）’模型，將AIS中的骨架蛋白比喻成‘籬柵’，將骨架蛋白上的跨膜蛋白等其他蛋白質(zhì)比喻為‘尖樁’，使得AIS成為屏障，限制細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的擴(kuò)散。2018年Leterrier提出，AIS也許不僅僅起到了物理過(guò)濾的作用，還可能是由于骨架蛋白的密度而限制了蛋白質(zhì)的擴(kuò)散。
由Hudgkin和Huxley的研究，我們知道，動(dòng)作電位的產(chǎn)生很大程度上取決于Na+電流，同樣，AIS上的Na+離子通道使得該處的閾值最低，從而導(dǎo)致動(dòng)作電位最先從AIS處爆發(fā)。AIS上的Na+離子通道有多種亞型，不同種類(lèi)的細(xì)胞有著不同的亞型和不同的離子通道密度。
在大多數(shù)神經(jīng)元中，Nav1.6是最主要的Na+離子通道亞型，位于AIS的遠(yuǎn)端（遠(yuǎn)離胞體的一端），它有更低的激活閾值，又與具有巨大電容的胞體距離較遠(yuǎn)，因此動(dòng)作電位會(huì)在AIS的遠(yuǎn)端，也就是Nav1.6聚集的部位爆發(fā)。相反，Nav1.2位于AIS的近端，對(duì)于動(dòng)作電位向胞體方向的回傳起著重要的作用，如圖2(A)所示。
關(guān)于AIS上Na+離子通道的密度，目前備受爭(zhēng)議。研究人員用免疫染色和電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，Na+離子通道在AIS上的密度最高，而用細(xì)胞吸附和外部通道檢測(cè)的方法則發(fā)現(xiàn)在胞體和AIS上的密度并無(wú)差別。后續(xù)的研究中，有的發(fā)現(xiàn)AIS上Na+離子通道密度比胞體和樹(shù)突上的密度高50倍，也有人發(fā)現(xiàn)僅僅高3倍，也許是因?yàn)椴煌募?xì)胞種類(lèi)導(dǎo)致有如此大的區(qū)別。
動(dòng)作電位的復(fù)極化需要K+離子通道，AIS上的K+離子通道也有多種亞型，其中，起到重要作用的有Kv1和Kv7通道，如圖2(B)所示。在第五層錐體神經(jīng)元中，Kv1通道富集在AIS上，用于調(diào)控動(dòng)作電位的形狀，當(dāng)它被抑制時(shí)，動(dòng)作電位的形狀變寬。Kv7.2和Kv7.3通道存在于整個(gè)神經(jīng)元上，但是在AIS處更富集，它們綁定在ankG上，起著調(diào)解M-電流、控制動(dòng)作電位閾值、調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性以及穩(wěn)定神經(jīng)元靜息電位的作用。
關(guān)于AIS上Ca2+離子通道的研究則沒(méi)有定論，不同細(xì)胞有著不同的表現(xiàn)。在背部耳蝸核中間神經(jīng)元、錐體細(xì)胞和浦肯野細(xì)胞中，AIS上富集了大量的T型和R型的Ca2+離子通道，影響動(dòng)作電位的產(chǎn)生和爆發(fā)時(shí)間，而在第五層皮質(zhì)錐體神經(jīng)元中，AIS富集了大量的P/Q型和N型的Ca2+離子通道，增加了神經(jīng)元興奮性，影響動(dòng)作電位的復(fù)極化。
圖2. AIS上的離子通道以及他們對(duì)動(dòng)作電位的調(diào)節(jié)作用。(A) Na+離子通道亞型 Nav1.6位于AIS的遠(yuǎn)端，負(fù)責(zé)動(dòng)作電位的產(chǎn)生，Nav1.2位于AIS的近端，影響動(dòng)作電位向胞體的回傳。(B) K+離子通道亞型Kv7位于AIS近端，激活緩慢，可以抑制動(dòng)作電位持續(xù)爆發(fā)，Kv1位于AIS遠(yuǎn)端，被阻斷后會(huì)使得動(dòng)作電位形狀變寬。
AIS的可塑性有兩種：一種是發(fā)育過(guò)程中的可塑性，另一種是成熟后隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變而發(fā)生的可塑性。在小鼠或者小雞的感覺(jué)系統(tǒng)中，AIS隨著感覺(jué)系統(tǒng)的活動(dòng)逐漸發(fā)育成熟，如圖3(A)所示，但在非感覺(jué)皮質(zhì)的神經(jīng)元中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一特點(diǎn)。
關(guān)于AIS在成熟之后的可塑性的研究，最早是在2010年，Grubb和Burrone通過(guò)增加細(xì)胞外液K+離子的濃度或者用光遺傳的方法增加對(duì)細(xì)胞的刺激頻率，使得細(xì)胞的AIS向遠(yuǎn)離胞體的方向移動(dòng)，與之伴隨的是神經(jīng)元的興奮性降低。Kuba等人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)去除小雞的耳蝸，也就是去除神經(jīng)元的感覺(jué)輸入后，核大細(xì)胞神經(jīng)元的AIS長(zhǎng)度變長(zhǎng)，免疫染色后發(fā)現(xiàn)，AIS上的Na+離子通道也相應(yīng)增多，使得神經(jīng)元更加興奮。總之，當(dāng)神經(jīng)元處于更興奮的狀態(tài)時(shí)（即突觸前的輸入更多時(shí)），它會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)AIS，使自身不那么興奮，相反，當(dāng)神經(jīng)元興奮性減弱時(shí)，AIS也會(huì)相應(yīng)地變化，使得自身更興奮，AIS起到了維持神經(jīng)元興奮程度穩(wěn)定的作用，如圖3(B-C)所示。
在一些疾病模型中，AIS的位置和長(zhǎng)度也會(huì)有所變化，但是目前還不清楚AIS可塑性與疾病之間誰(shuí)是因誰(shuí)是果。有些研究發(fā)現(xiàn)突變AIS上的某些離子通道與癲癇相關(guān)，也有些研究表明，在天使綜合征、阿爾茲海默癥、脫髓鞘疾病等情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元的AIS有相應(yīng)的變化。
圖3. AIS可塑性。(A)在感覺(jué)系統(tǒng)發(fā)育的過(guò)程中，神經(jīng)元在能夠接收感覺(jué)輸入之前，AIS增長(zhǎng)，之后隨著突觸的刺激，AIS逐漸變短變成熟。(B)感覺(jué)剝奪后，AIS變長(zhǎng)，增加了神經(jīng)元的興奮性。(C)增加突觸刺激后，AIS變短并且/或者向遠(yuǎn)離胞體方向移動(dòng)，降低了神經(jīng)元的興奮性。(D)在許多病理生理學(xué)條件下，AIS也會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度或位置的改變。
AIS在不同細(xì)胞類(lèi)型、不同實(shí)驗(yàn)條件、不同時(shí)間尺度下有著多種多樣的可塑性，且大多數(shù)的可塑性的作用都是維持神經(jīng)元自我興奮性的平衡，因此，Maren等人提出AIS對(duì)于維持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)有著非常重要的作用。
目前，關(guān)于AIS的研究，仍然有一些問(wèn)題亟待解決，比如：AIS可塑性產(chǎn)生的機(jī)制是什么？AIS在移動(dòng)或者變化長(zhǎng)度的過(guò)程中，骨架蛋白是如何自組織的？AIS可塑性如何影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？ANK3突變?nèi)绾斡绊懮窠?jīng)發(fā)育障礙？我們期待研究人員能夠用更多更好的研究方法加深我們對(duì)AIS的認(rèn)識(shí)與理解。
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作者信息
編譯：傘姆塔（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)成員）
校審/排版：Simon （brainnews編輯部）
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