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自主神经系统的解剖学生理学和药理学综述

内脏感觉纤维

年,Sherrington()引入了感受器和感受器间这一术语来定义来自内脏器官的感觉信息的传递。这个术语被用来比较从身体表面(外部感觉)和从躯体组织内部深处(本体感觉)传递的感觉信息。内脏感觉纤维是细小的、轻度有髓的A-δ或无髓C纤维,将机械敏感和化学敏感信息传递给中枢神经系统,中枢神经系统对生理和病理生理刺激(如缺血、炎症)均有反应(62、69、94、、、、、、、)。这些内脏感觉传入的功能是向CNS提供有关头颈部以及胸、腹和盆腔内自主神经效应器官状态的反馈,并帮助维持内环境平衡(,)。来自内脏器官和组织的传入纤维通常与周围神经束(62、)中的交感和副交感(例如,舌咽和迷走神经)神经纤维混合。内脏感觉纤维胞体位于脊髓背根神经节和颅结神经节内,它们将内脏感觉信息传递到脑干的孤束核和脊髓背角(见图1和图2)。虽然这些感觉纤维通常被称为交感或副交感传入,但这可能不是一个恰当的术语。从历史的角度来看,兰利(-)非常谨慎地只在提到传出纤维时才使用交感和副交感这两个词。Janig()提出了一个合理的解释,解释了为什么交感和副交感传入这两个术语会产生误导,以及为什么在提到将信息从自主神经效应器官传递到中枢神经系统的感觉纤维时,使用内脏传入这个术语更可取。交感和副交感传入这两个术语意味着这些纤维具有ANS单个分支所独有的功能。相反,对于ANS的两个部分来说,通过交感神经或副交感神经传递信息的内脏感官受体的激活做出反应并不少见。此外,动脉压力感受器通过“副交感”脑神经传递信息,即使受体位于仅由交感神经系统支配的靶器官(血管系统)。此外,正如Saper()所描述的那样,内脏器官受体的激活可能影响的不仅仅是自主目标器官;例如,内脏受体的激活可以导致包括边缘系统在内的高级大脑功能的变化,从而将自主神经功能与正在进行的行为和情绪相结合。

正如Janig()所评论的,这些内脏感觉纤维具有广泛的功能,包括介导保护性反射、发出内脏疼痛信号和神经内分泌调节。《综合生理学》的几篇文章描述了这些内脏传入纤维在控制某些自主神经靶器官中的作用,包括心脏、肾脏和尿路(69、94、、)。此外,Guyenet()还回顾了受体(压力感受器和化学感受器)在血管系统中的关键作用,这些受体通过舌咽和迷走神经传递信息以维持心肺功能。有关内脏器官中感觉受体的类型、感觉纤维的类型及其中枢投射的详细信息,以及它们在调节健康和疾病中自主神经功能变化中的作用,可以参考这些文章。此外,克里斯汀森和戴维斯(62岁)回顾了有关内脏传入改变对内脏疼痛以及糖尿病、胰腺癌和胰腺炎等各种病理发展的作用的文献。

自主神经效应器接头的化学神经传递:乙酰胆碱和去甲肾上腺素

节前神经元和节后神经元之间以及节后神经元与其效应器官之间突触交界处的神经传递是由化学介导的。ACh或NE至多是这些突触中占主导地位的自主神经递质(如果不是全部的话)。有证据表明,单个交感神经元可以合成去甲肾上腺素(NE)和乙酰胆碱(ACh),至少在发育早期是这样()。在发育早期,基于酪氨酸羟化酶和胆碱乙酰转移酶的表达,颈上神经节中的一些神经元具有合成去甲肾上腺素和乙酰胆碱的能力。在某些条件性因素的影响下,神经元被分离成仅合成NE或仅合成ACh的神经元。神经肌肉连接处的传递也是化学介导的()。α运动神经元的轴突末端含有圆形、透明的突触小泡,内含神经递质ACh。ACh从神经末梢释放出来,然后作用于位于运动终板交界处的烟碱受体,启动肌肉收缩过程。自主神经效应器连接是自主神经功能药理操作的逻辑部位。如下面将详细描述的,ACh和NE被合成、储存在神经末梢,并从神经末梢释放出来,它们在神经末梢与位于其他神经元、平滑肌细胞或腺细胞上的各种离子通道或G蛋白偶联受体(GPCR)结合,以启动其特有的作用。当递质被新陈代谢或再摄取从该区域移除时,ACh和NE的作用终止。这些步骤中的每一步都可以促进或抑制,并产生相当可预见的后果。节前神经末梢释放的ACh主要作用于自主神经节的烟碱受体,兴奋节后交感和副交感神经元;节后副交感神经和部分交感神经释放的ACh主要作用于非神经元自主神经效应器官的M受体(38,,,)。大多数交感节后神经释放的NE主要作用于靶器官的α和β肾上腺素受体(38,,,)。表4显示了ANS外周组件内不同连接处的胆碱能和肾上腺素能受体的类型。表5列出了影响自主神经传递中不同步骤的各种药物的作用。该表还指出了许多常用处方药、非处方药、毒素和毒物影响自主神经功能的事实。

胆碱能自主神经元(即合成和释放ACh到突触后靶点的神经元)包括

(1)所有节前神经元,

(2)所有副交感节后神经元,

(3)支配汗腺的交感节后神经元,

(4)交感节后神经元,它们终止于某些物种骨骼肌(如猫)的血管上,并在受到刺激时产生血管扩张(交感血管扩张神经)。(交感过度兴奋性肿胀充血)

大多数交感神经节后神经元是去甲肾上腺素能神经元(即合成NE并将NE释放到突触后靶点的神经元)。此外,肾上腺髓质类似于无轴突的交感神经节后神经元,合成并释放去甲肾上腺素和肾上腺素的混合物。这两种化学物质从肾上腺髓质中释放的比例因物种不同而不同()。例如,人和大鼠肾上腺髓质中去甲肾上腺素和肾上腺素的释放比例约为1:4(有什么特殊的意义呢?),猫为3:2,鸡为3:7。在这两个极端,鲸鱼和兔子的肾上腺髓质分别只释放去甲肾上腺素和肾上腺素。下面将在“自主神经元的神经化学编码:交感神经和副交感神经化学物质的共同释放”一节中描述,许多自主神经元释放其他神经递质或神经调节剂。

胆碱能神经传递:乙酰胆碱的合成、储存、释放和降解

图3显示了胆碱能自主神经效应器连接处的生化事件。ACh在胆碱能神经元终末(38,,)的小而清晰的突触小泡中高浓度储存。合成ACh所需的胆碱在血浆中很容易获得,并通过高亲和力的Na+依赖的胆碱转运体(,)从细胞外空间转运到神经末梢。胆碱摄取进入神经末梢是乙酰胆碱合成的限速步骤,而半胱氨酸是这一胆碱摄取机制的有效抑制剂。乙酰胆碱的合成是由胆碱乙酰转移酶催化胆碱与乙酰辅酶A(AcCoA)乙酰化的单一酶促反应。ACh在胞浆内合成后,通过囊泡ACh转运蛋白从胞浆转运到位于神经末梢的突触小泡中。这个过程依赖于一个质子泵ATPase,它使小泡酸化。一旦囊泡酸化,囊泡ACh转运体允许囊泡内的质子交换为ACh分子。Vesamicol是一种胆碱转运抑制剂,但它阻止新合成的ACh从囊泡中诱导释放,而不是阻止ACh摄取和储存到囊泡中(,,)。

当向神经末梢传导动作电位时,其激活允许Ca2+流入神经末梢(、)的N型电压门控Ca2+通道。这种Ca~(2+)的内流导致囊泡与神经末梢的膜对接、融合和分裂。囊泡相关膜蛋白(V-AMPs)促进囊泡与神经末梢内膜上的释放部位对齐。释放部位含有突触体神经相关蛋白(SNAP),它们与V-AMPS相互作用,允许ACh通过胞吐作用从突触小泡释放到突触裂隙中。肉毒杆菌毒素与V电流相互作用并折断,阻止囊泡与神经末梢膜对接,从而阻止ACh释放到突触裂隙中。肉毒杆菌毒素可以损害自主胆碱能突触的传递;例如,它可以抑制膀胱副交感神经纤维中ACh的释放,并已被用于治疗膀胱多动()。肉毒杆菌中毒的自主神经体征包括便秘、尿潴留、直立性低血压、流涎和流泪减少(61)。在神经肌肉交界处阻断ACh的情况下,就会发生骨骼肌的松弛性瘫痪。这就是肉毒杆菌毒素(Botox?)治疗痉挛、肌肉痉挛和强直的机制()。神经末梢释放的ACh可与突触后或突触前胆碱能(毒碱或尼古丁)受体或乙酰胆碱酯酶(38,,)结合。ACh与酶的结合使其迅速从突触裂隙中移除。乙酰胆碱酯酶分子聚集在胆碱能突触的突触后膜上。ACh在神经肌肉交界处几毫秒内分解为胆碱和醋酸盐,因此在该交界处释放的ACh的作用迅速终止。乙酰胆碱水解产生的胆碱可被神经末梢重新摄取,使合成、储存和释放过程重新开始

胆碱能受体:烟碱和毒扁豆碱

神经末梢释放的ACh作用于位于突触后靶细胞膜上的两种胆碱能受体中的一种,即自主神经节和中枢神经系统中的另一神经元;或平滑肌、腺体或心脏(自主效应器官);或骨骼肌(躯体神经靶)。这两种类型的胆碱能受体被称为尼古丁和毒扁豆碱,历史上分别基于它们对生物碱、尼古丁和毒扁豆碱的反应。亨利·戴尔爵士(65岁)指出,ACh降低血压和促进外分泌腺释放的作用与从蘑菇鹅膏(AmanitaMuscaria)中提取的一种毒素--生物碱毒扁豆碱(Muscarine)相似。因此,他创造了术语“毒蕈碱”来描述ACh的这些行为。早在年,人们就知道阿托品能拮抗毒蕈碱的作用();阿托品至今仍是阻断毒蕈碱胆碱能神经传递的标准药理学方法(81)。戴尔还指出,ACh对自主神经节和骨骼肌的刺激作用与尼古丁类似。因此,他用“尼古丁”一词来描述ACh的这些作用。年,兰利和狄金森()报告说,箭毒引起自主神经节的“瘫痪”,类似于它引起骨骼肌瘫痪的长期事实。

烟碱受体可分为位于骨骼肌神经肌肉接头终板的烟碱受体(神经肌肉接头(NM))和位于中枢神经系统(CNS)和自主神经节(NN)的烟碱受体。尼古丁受体是配体门控离子通道(离子型受体)超家族的成员,该家族还包括GABA-A、甘氨酸和一些谷氨酸受体。表6总结了神经肌肉接头(NM)和自主神经节(NN)受体的一些特性,包括它们的位置,细胞和分子机制,膜和突触后靶反应(38,93,,)每个烟碱胆碱能受体有五个亚基,形成一个中心通道,当受体被激活时,Na+和其他阳离子通过这个通道。这五个亚基来自被指定为α,β,γ,δ和ε的几种类型,每种类型都由不同的基因编码。当ACh分子与尼古丁受体的α亚基结合时,蛋白质的构象发生变化,使通道得以打开。这会导致Na+电导率的增加;由此产生的Na+流入会产生去极化电位。自主神经节(NN)胆碱能受体对Ca~(2+)有很高的通透性。刺激节后神经元节前神经所产生的反应包括最初的快速去极化、快速兴奋性突触后电位(FastEPSP)和延迟和延长的兴奋性突触后电位(SlowEPSP)。快速EPSP由ACh作用于自主神经节(NN)受体产生,负责节后神经元动作电位的产生。慢的EPSP是由ACh作用于节后神经元膜上的M_1受体而产生的,它可能调节通过自主神经节的传递。ACh与神经肌肉接头(NM)受体结合引起的骨骼肌收缩很容易被药物如D-Tubocurarine、Curare的活性成分D-Tubocurarine或三硫化甘胺所阻断。自主神经节的传递主要是通过ACh对自主神经节(NN)受体的作用介导的,而这些受体很容易被药物如长效的六甲基铵和短效的三甲氧胺所拮抗。尽管不再用于治疗目的,神经节阻滞剂是从20世纪50年代开始的最早的高血压药物治疗之一(76,)。不良反应包括视力模糊、口干、便秘、尿潴留、阳萎和体位性低血压。M受体是GPCR(57,81,,,)大家族的成员,也被称为7跨膜域受体、七螺旋受体或蛇形受体。GPCR的典型结构特征包括7个疏水性跨膜结构域、一个胞外N末端和一个胞内C末端。研究最多的是位于神经节后副交感神经和一些交感纤维支配的自主效应器官上的M受体。阿托品可阻断ACh与这些M受体结合所引起的反应。M受体有5种亚型(M1、?、M5),由5个不同的基因(81)编码。在自主神经突触中仅发现M1、?、M3受体。如表6所示,这三种受体亚型在细胞反应和/或解剖位置方面有所不同。这三种亚型都激活了丝裂原活化蛋白激酶途径,但参与介导其作用的G蛋白类型可能不同。M1和M3胆碱能受体与Gq偶联,可激活磷脂酶C,产生二酰甘油(DAG)和1,4,5-三磷酸肌醇(IP3),增加细胞内Ca2+,以及靶器官或组织中缓慢的EPSP。M2胆碱能受体与GiandGo偶联,抑制腺苷酸环化酶,减少细胞内环磷酸腺苷(CAMP);M2受体还调节G蛋白激活的内向整流钾(GIRK)通道。M1受体存在于自主神经节和某些腺体中。M2和M3胆碱能受体是自主神经靶器官上发现的M受体的主要亚型。M2胆碱能受体通常被称为“心脏”受体,因为它们主要存在于心脏。它们也位于自主神经末梢上,在那里它们调节神经递质的释放(见下文,突触前自体受体和异型受体调节胆碱能和肾上腺素能突触的神经递质释放)。M3胆碱能受体被称为“腺体或平滑肌”受体,因为它们主要存在于外分泌腺和平滑肌上。表4和表6描述了一些主要的自主神经功能反应,这些反应是由M受体激活引起的。

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