综述：通过离子电流的发育变化实现脊髓运动控制的成熟

神经系统的运动控制成熟源于多个发育过程，包括神经发生（neurogenesis）、突触连接的建立以及神经元内在特性的发育。后者，尤其是通过离子通道（ion channels），决定了神经元的放电特性（firing properties）和突触传递（synaptic transmission）。脊髓在运动控制中发挥关键作用。研究人员已从脊髓神经元发育和涉及脊髓内、脊髓上及感觉输入以形成运动回路的电路形成层面，对脊髓对运动成熟（motor maturation）的贡献进行了深入研究。尽管离子电流（ion currents）在设定神经活动方面至关重要，但对其变化如何优化运动知之甚少。近期研究推进了研究人员对脊髓神经元中哪些离子电流经历发育变化的理解。在本综述中，研究人员概述了已知塑造运动活动的离子电流，并描述了特定离子电流如何在多种脊椎动物物种中表现出独特的发育动力学。研究人员基于近期发现认为，其中一些变化通过确保脊髓回路及其控制的不同肌肉类型的适当募集，对运动库（motor repertoire）的发育至关重要。这些发现强调了内在特性发育变化对运动库成长和优化的重要性。

**运动控制的成熟**

神经系统的运动控制成熟源于多个发育过程。动物的运动库大部分来自神经和肌肉骨骼系统形成早期开始的发育变化。早期运动原始而基础，更协调和复杂的运动逐渐补充这一基本集合。运动控制成熟的例子可见于运动（locomotion）的发育。完整运动运动库并非在出生后立即建立，而是运动回路逐渐成熟。例如，发育中的哺乳动物在子宫内和出生后不久表现出早期自发性节律性腿部运动，无需负重。随着发育，肢体运动模式成熟以支持不同节律和负重模式，从而实现更协调的行走、奔跑和游泳。运动控制成熟表现出运动和运动库的生长与优化，源于多种神经发育过程。神经发生（neurogenesis）生成日益增多的不同类型神经元，它们将形成神经回路以控制肌肉活动。一旦形成，神经回路也可经历优化以促进更熟练运动的产生。虽然神经发生和突触发生（synaptogenesis）为运动控制回路提供了明确的结构变化，但神经活动和神经肌肉接头功能的改变可影响神经动力学和神经肌肉控制，导致肌肉活动新模式和新运动形式。例如，单个神经元可改变其内在特性，从而在运动控制成熟过程中修改神经活动。将驱动新运动出现或已建立运动优化的机制联系起来具有挑战性。在某些物种中，运动控制成熟在相对较长的胚胎或出生后发育期逐渐发生，无明显里程碑。这使将发育变化与特定运动转换联系起来变得复杂。对特定细胞群体标志物的鉴定以及对运动回路已鉴定组成成分的可及性也可能有限。尽管如此，近期多项研究利用了运动控制神经元的新标志物，另一些则利用了发育过程中运动变化高度模式化的物种。这些研究强调了内在特性发育在运动控制成熟中的重要性。在此，研究人员回顾了过去和近期的发现，揭示了参与运动控制的脊髓神经元中离子电流发育变化的多样性。研究人员描述了这些变化如何与塑造运动回路的发育过程或发育动物运动库的变化相关联。许多运动成熟例子与运动相关，因为参与运动控制的脊髓回路已被广泛研究，且离子电流在节律发生（rhythmogenesis）中与运动活动及其他形式节律运动控制中的作用已得到充分证实。这些研究的总和强调了离子电流变化及其对发育过程和神经活动的影响在运动控制成熟中的重要性。

**脊髓神经元的离子电流发育变化**

神经元拥有多种离子通道，塑造神经功能，脊髓神经元也不例外。在多种物种中已描述了参与运动控制的脊髓神经元（尤其是运动神经元（motoneurons, MNs））中的离子电流。多项研究揭示了某些电流的瞬时表达或这些电流在发育过程中的动态变化。以下，研究人员描述了脊髓神经元中值得注意的离子电流，并重点介绍了已报道的发育变化。

**钠电流（Sodium currents）**

来自Na_V家族（Na_V1.1-1.9）的电压门控钠通道产生快速、瞬时、失活的去极化电流，负责动作电位上升期膜电位的快速去极化。在青蛙蝌蚪的脊髓神经元胚胎发生早期观察到钠电流密度增加。Moreno & Ribera (2009) 在发育中的斑马鱼初级运动神经元中观察到净内向（推测为钠）电流在受精后1天至2天（dpf）之间发生变化。这些电流的变化水平及随之而来的运动神经元放电改变在所研究的两种初级运动神经元中具有特异性。鸡胚后肢运动神经元也显示出钠电流密度增加。类似地，在大鼠脊髓运动神经元中，从胚胎期到出生后，钠电流密度增加，同时其激活动力学速率增加。除了表达差异，小鼠脊髓运动神经元的钠电流在失活特性上也经历发育变化，导致从失活中恢复更快且更完全。一种称为持续性钠电流（persistent sodium current, I_NaP）的非失活钠电流，可能代表电压门控钠通道快速失活后不消失的一小部分钠电流。该持续性钠电流缓慢或不失活，其机制尚未完全明确。尽管多种Na_V1.1至Na_V1.6通道可能有助于I_NaP，但证据表明Na_V1.1和Na_V1.6是小鼠脊髓神经元中的主要贡献者。无论介导该持续性电流的具体亚基如何，I_NaP在细胞活动中发挥重要作用。I_NaP促进哺乳动物运动神经元的持续重复放电，并对哺乳动物吸气、咀嚼和运动的节律发生至关重要。一些证据表明I_NaP可能也参与斑马鱼运动节律生成。与持续性钙电流（persistent calcium current）一起，I_NaP已被确定为跨物种运动神经元中观察到的持续性内向电流（persistent inward currents, PICs）的主要组成部分。发育中的神经元（包括运动神经元）通常缺乏持续放电能力。鉴于I_NaP在维持放电中的作用，该电流的发育性增加与某些细胞类型中尖峰发放的增强相关，例如大鼠中脑三叉神经神经元和小鼠脊髓运动神经元。在参与运动节律发生的Shox2脊髓中间神经元中，I_NaP在出生后发育过程中逐渐增加，可能促进了这些细胞节律性活动的出现。相反，在小鼠胚胎Renshaw细胞中观察到I_NaP降低，导致其持续放电能力丧失。近期在斑马鱼中的研究表明，从2 dpf到5 dpf初级运动神经元重复放电能力的增强并非伴随I_NaP的增加。相反，研究人员显示I_NaP在此发育窗口期下降，表明I_NaP在产生持续放电中的作用在斑马鱼某些运动神经元中不如其他脊椎动物脊髓神经元显著。I_NaP对PICs相对贡献的差异及参与持续放电的差异可归因于相反外向钾电流或其他互补内向阳离子电流的贡献差异，这些差异可能随物种和发育阶段而变化。表1总结了发育过程中脊椎动物脊髓神经元钠电流的已知变化。

**钾电流（Potassium currents）**

钾通道在动作电位期间复极膜电位、调节放电活动、限制神经元兴奋性并促进持续放电的适应等。脊髓神经元具有多种钾通道介导这些功能。例如，多种脊椎动物运动神经元拥有几种钾通道类型，介导参与膜电位复极的延迟整流电流（delayed rectifier current, I_K,DR），包括来自K_V1家族Shaker钾通道、K_V2家族Shab钾通道和K_V3家族Shaw钾通道。然而，近期工作表明K_V2通道在成年小鼠运动神经元中可能不起典型的经典作用。除延迟整流通道外，还存在一组多样化的钾通道，其电压依赖性、动力学和其他特性各不相同，在脊髓运动控制中发挥重要作用。例如，通过参与神经元爆发终止，在七鳃鳗、小鼠和斑马鱼的脊髓运动神经元以及小鼠脊髓中间神经元中鉴定出钙依赖性钾电流（calcium-dependent potassium current, I_K(Ca)）。I_K(Ca)也已在蜥蜴、蛙、小龙虾和小鼠的神经肌肉接头处被鉴定。该电流是由爆发期间神经元活动增加引起的细胞内钙浪涌激活的外向钾电流。I_K(Ca)可通过在细胞内钙增加的活动期超极化神经元来促进爆发终止。I_K(Ca)已知参与运动下的节律生成和呼吸。另一种电流，瞬时的快速失活A型钾电流（A-type potassium current, I_A），也可塑造细胞兴奋性和放电特性；例如，通过增加放电阈值和减少尖峰抖动。这些钾电流中有许多已被证明受发育调节。在鸡后肢运动神经元和小鼠胚胎Renshaw细胞中报道了I_K,DR的胚胎期增加。在小鼠Shox2脊髓中间神经元中观察到由I_K(Ca)介导的慢后超极化在出生后增加。类似地，I_K(Ca)仅在幼虫阶段的蛙蝌蚪脊髓神经元中出现，并且其幅度增加，而I_K,DR在发育过程中变得不那么突出。在大鼠脊髓运动神经元中，I_K,DR和I_K(Ca)均显示从胚胎期到出生后增加。这些I_K,DR和I_K(Ca)的增加分别缩短了动作电位时程并产生后超极化电位。在鸡和大鼠胚胎脊髓运动神经元中观察到I_A；然而，在发育过程中I_A仅在鸡运动神经元中增加，而在大鼠运动神经元中未见增加。I_A与大鼠出生后外展运动神经元一个瞬时亚群中的单动作电位表型相关。在另一项关于大鼠脊髓神经元（包括运动神经元）的研究中，发现I_A表达在胚胎晚期和出生后早期是瞬时的。因此，钾电流的变化可在发育过程中修改放电特性或单尖峰参数。亚阈值非失活钾电流，称为M-电流（M-current, I_M），近来被认为与运动节律调节有关，包括吸气爆发终止和小鼠及斑马鱼的运动节律生成。I_M是一种电压门控、非失活的钾电流，在静息膜电位附近开始缓慢激活，并在-10至-20 mV左右达到峰值。K_V7通道家族介导I_M，其神经元表达与Kv7.2/7.3亚基相关。根据I_M在尖峰阈值以下或以上的活性，它可以通过降低兴奋性来塑造神经元放电；例如，通过增加基强度或促进尖峰频率适应。在运动回路中，I_M参与多种过程，包括终止爆发放电、调节运动神经元中的尖峰时序以及抑制脊髓运动神经元兴奋性。据研究人员所知，迄今为止很少有研究描述脊髓神经元中I_M的发育变化。蛙蝌蚪胚胎脊髓的背侧初级神经元似乎上调对I_M阻断剂XE-991敏感的电流。来自小鼠Shox2中间神经元的电生理数据揭示在出生后发育过程中，从新生到成年阶段，I_M幅度增加。这种I_M的增加与I_NaP的增加并行。后者发育性增加通过计算建模与运动节律发生的出现相关。也许I_M的发育性增加也具有节律发生效应。有趣的是，研究人员最近证明I_NaP和I_M在脊髓神经元群体中也随发育而变化。研究人员研究了幼虫斑马鱼初级运动神经元中这两种电流。在此过程中，研究人员揭示I_NaP和I_M表现出不同的发育变化。I_NaP在2至5 dpf之间下降，而I_M在3 dpf达峰，然后在4和5 dpf下降。研究人员揭示这两种不同的发育谱有助于初级运动神经元对斑马鱼运动库角色的转变。虽然初级运动神经元在3 dpf时参与特定形式的游泳行为，但在5 dpf时它们在该相同游泳行为期间变得沉默。这个3-5 dpf窗口与斑马鱼日益依赖次级运动神经元而非初级运动神经元的时间重合。研究人员的数据表明，I_NaP和I_M的发育变化可能分别影响3 dpf和5 dpf时的募集与否。表2总结了脊椎动物脊髓神经元中鉴定到的钾电流发育变化。

**钙电流（Calcium currents）**

钙电流也显示在发育过程中增加。这在大鼠脊髓运动神经元和蛙蝌蚪的脊髓神经元中观察到。电压门控钙通道是内在去极化的主要来源，分为两大类：低电压激活（LVA）和高电压激活（HVA）钙通道。LVA组由Cav_3.1-Cav_3.3通道亚基形成的T型通道组成，介导在相对超极化膜电位（接近静息膜电位）下激活的瞬时钙电流。T型钙电流已被认为参与爆发放电和抑制后反弹放电，尤其是在脊髓运动神经元中。在回路水平，新生啮齿动物脊髓中的运动活动受T型通道调节。在多种物种（包括鸡、大鼠和蛙蝌蚪）中，LVA的I_Ca,T在胚胎发育早期幅度最大，随后下降。在小鼠胚胎脊髓中，表达I_Ca,T的运动神经元数量在出生后减少。在斑马鱼初级运动神经元中，该电流特征的抑制后反弹在2至5 dpf之间未被检测到。HVA通道包括L型、N型、P/Q型和R型钙通道。由Cav_1.2和Cav_1.3通道亚基介导的L型电流的特征是其在激活后因长时间开放状态而持续激活。L型钙电流（I_Ca,L）与I_NaP结合形成猫、啮齿动物、斑马鱼和龟脊髓运动神经元以及大鼠和七鳃鳗脊髓中间神经元中的PICs。N型和P/Q型钙通道分别由Cav_2.2和Cav_2.1亚基介导。这两组钙通道在相似的电压范围内激活，通常参与突触末梢的神经递质释放。在神经肌肉接头处，通过这些通道的钙内流调节胞吐作用，但也激活I_KCa。HVA钙电流的最后成员是由Cav_2.3通道亚基介导的R型电流，已知参与介导树突钙内流和递质释放。已显示啮齿动物、七鳃鳗和斑马鱼的运动神经元以及啮齿动物脊髓中间神经元表达部分或全部这些HVA钙通道。在鸡和小鼠的脊髓运动神经元以及某些小鼠脊髓中间神经元中，I_Ca,L和I_Ca,N在围产期后期变得更加突出。N型钙电流的发育性增加与大鼠膈肌运动神经元中由于与I_K(Ca)耦合增强而导致更显著的后超极化有关。研究人员在斑马鱼初级运动神经元中未发现I_Ca,L在2至5 dpf之间有任何发育变化，但观察到I_Ca,N激活电压的去极化。研究人员还观察到在4和5 dpf时，斑马鱼初级运动神经元中出现胞体周围或树突I_Ca,P/Q。尽管在斑马鱼初级运动神经元中未观察到I_Ca,L或I_Ca,N测量幅度的发育差异，但这些电流的阻滞影响了所研究发育窗口内的尖峰发放。在3和5 dpf时阻断I_Ca,L或I_Ca,N均增加了稳态放电频率，但在4 dpf时未见变化。这种差异可能反映了斑马鱼运动神经元中尚未研究的其他离子电流的发育变化，这些变化可能与I_Ca,N和I_Ca,L相互作用。表3总结了发育过程中脊椎动物脊髓运动神经元钙电流的已知变化。

**超极化激活混合阳离子电流（Hyperpolarization-activated mixed cation current）**

在猫和啮齿动物脊髓运动神经元中观察到，对超极化电流脉冲响应出现大的sag电位。这些sag电位由混合阳离子I_H电流的激活产生，该电流由膜超极化激活的Na⁺和K⁺电流组成。一些脊髓中间神经元群体也被描述表达I_H，包括深层背角神经元、Renshaw细胞、V2a神经元亚群、Clarke's柱神经元、腹侧脊髓小脑束神经元和连合中间神经元。I_H被认为通过与I_NaP结合产生共振来放大运动神经元的突触电流。I_H参与调节蛙蝌蚪的运动活动和啮齿动物脊髓的某些形式假想运动，可能反映了其在运动相关中间神经元中的表达。在大鼠舌下运动神经元和小鼠快运动神经元中观察到I_H在出生后发育性增加。在后一种情况中，I_H的增加有助于运动神经元亚型的正确募集。

**脊髓神经元离子电流发育变化的机制**

**转录程序（Transcriptional programs）**

神经发育涉及广泛的转录活动，塑造多种发育过程，包括细胞周期、有丝分裂停滞、细胞迁移、突触发生、轴突寻路和神经兴奋性等。RNA测序的近期进展促进了描述调节小鼠和斑马鱼脊髓神经元发育的转录程序。这些宝贵数据集显示，许多基因的表达具有发育阶段和细胞类型特异性。脊髓内不同发育阶段基因表达的分子特征进一步强调，在脊髓神经元和脊椎动物中发现的离子电流表达独特的发育动力学很可能由细胞特异性转录程序决定。

**神经调节（Neuromodulation）**

虽然转录程序指示离子通道表达的时间精确变化，但有充分理由怀疑运动神经元中离子电流的发育变化可能由已知是电压门控离子通道活性重要介质的神经调节物质驱动。事实上，血清素（5-HT）和去甲肾上腺素已被证明影响龟、大鼠和猫运动神经元中钠和钙PICs的活性。这些研究强调了神经调节修改离子电流的多种方式。离子通道活动的多方面内源性调节使神经元行为灵活，并在脊髓神经元背景下可确保在运动环境特异性方式下精细调节其活动。合理推测，在发育过程中观察到的离子通道活动变化可能由神经调节物质驱动。确实，神经调节物质已被证明对斑马鱼运动回路的发育具有显著影响。血清素显示从4 dpf（而非更早）减少斑马鱼幼虫的不活动期。在3 dpf阻断多巴胺再摄取降低整体游泳活动，但在5 dpf不影响游泳，提示多巴胺在发育过程中对调节脊髓回路活动具有短暂作用。Lambert等人揭示通过D₄受体的多巴胺信号对于从3到4 dpf发生爆发游泳到搏动-滑行游泳的发育转变至关重要。然而，斑马鱼脊髓内这些神经调节影响的确切脊髓神经元和离子电流仍 largely unknown。阶段特异性神经调节很可能是转录程序的结果，这些程序决定神经调节物质释放到其脊髓靶标上的时机和靶向。神经调节物质可响应外部刺激的事实表明，除内在转录程序外的其他因素可能影响离子通道表达的发育动力学。

**离子电流表达发育变化对运动成熟的重要性**

在发育过程中，神经元网络通过新神经元的添加和新连接的形成经历结构成熟。确实，许多关于脊髓运动控制发育的研究揭示了结构变化，如神经元添加、细胞特化和连接性的建立与优化。这些结构变化是建立正确控制肌肉所需的物理连接所必需的。与此同时，单个神经元的内在特性也在成熟。研究人员回顾了脊椎动物脊髓神经元（尤其是运动神经元）中离子电流的一些变化。单个脊髓神经元离子电导的发育变化可以优化放电行为和突触传递，具体取决于电流及其通道的定位。这些变化可以支持发育过程，如轴突寻路、突触发生和突触成熟，以及细胞存活、增殖和特化。研究人员认为，离子电流的发育变化是驱动运动成熟基础运动获取和优化的一个被低估的驱动力。发育过程中神经元的成熟不仅受连接性变化的影响，还受优化放电和突触特性的离子电流内在变化的影响。反过来，这些优化通过适当募集各种肌纤维来塑造运动输出，从胚胎发生到后期发育阶段。然而，脊髓神经元离子电流发育如何确切地促进运动控制成熟尚未明确建立。许多研究描述了脊髓神经元放电特性随发育进程的变化。在几个案例中，脊髓神经元早期表现出有限的重复放电能力。还描述了尖峰幅度增加、尖峰时程缩短以及发育过程中后超极化的出现。随着发育，这些脊髓神经元获得更持续放电的能力。这已在包括但不限于小鼠、大鼠和斑马鱼等多种脊椎动物的脊髓运动神经元中得到证实。脊髓神经元亚型在发育过程中表现出不同放电特性的时间线可能不同。胚胎斑马鱼初级运动神经元在1至2 dpf之间表现出不同的放电特性。小鼠Renshaw细胞的放电特性早在胚胎阶段就发生变化，而小鼠V3中间神经元的放电特性在出生后第一周内发生变化。另一方面，小鼠γ运动神经元仅在出生后第三周才与α运动神经元区分开来。脊髓神经元中各种离子电流发育变化时间的多样性说明了运动成熟如何在每个物种的明确定义时间线上进行。例如，陆生物种的运动源于一系列运动发育里程碑，在此序列中，肢体运动首先在子宫内表现为单肢或同步肢体运动。只有在胚胎或出生后发育后期，运动基础下的肢体运动才表现出左右交替模式，这是大多数陆生物种运动的标志。这种向交替肢体运动的转变，以及参与屈伸的肌肉的时空控制进一步优化，发生在一致的发育时间点。更好地理解离子电流发育变化相对于关键运动里程碑的时间，将有助于深入了解其在运动控制成熟中的作用。在许多脊椎动物模型中，将脊髓神经元的离子电流变化与特定的运动成熟里程碑联系起来具有挑战性，因为明确的发育里程碑发生在延长且可变的时间跨度内。因此，在这些案例中将离子电流表达变化归因于运动成熟的特定事件是困难的。斑马鱼的快速成熟，其在发育最初几天内经历模式化、相对快速的运动转换，可用于将这些运动库变化与神经元放电变化联系起来。从1到3 dpf，斑马鱼主要表现大振幅、快速、弹道运动。这些运动主要依赖于初级运动神经元募集的快肌纤维。从3到5 dpf，斑马鱼开始更频繁地自发游泳，表现出更成熟的搏动-滑行游泳，其特征是较低幅度的尾部弯曲。由于这一转变，初级运动神经元在游泳期间的募集减少，而慢肌纤维和支配它们的次级运动神经元在大多数游泳中成为最主要参与部分。同时，初级运动神经元变得越来越能够重复放电，隐含地提示它们成熟时离子电流的发育变化。研究人员对发育中斑马鱼初级运动神经元的近期研究证明，离子电流发生精确调节的变化，导致脊髓神经元神经元功能变化。研究人员在斑马鱼初级运动神经元中鉴定了几种离子电流在幼虫早期发育过程中的精确变化，并将它们与运动输出中的离散发育转变联系起来。在3 dpf时，当初级运动神经元被募集用于光诱发的游泳并且其重复放电能力尚不成熟时，I_M瞬时增加，I_NaP幅度相对于幼虫后期较大。在5 dpf时，当初级运动神经元不再可靠地被募集用于相同运动行为但可以持续放电时，初级运动神经元中I_M和I_NaP的幅度均降低。药理学阻断I_M在3 dpf增加了初级运动神经元重复放电的能力，但在5 dpf则不然。在光诱发游泳期间，阻断I_M在3 dpf增加了运动神经元募集和放电频率，但在5 dpf则不然。这些结果揭示了该电流在限制运动期间初级运动神经元活动中的重要性，特别是在3 dpf，但在幼虫后期则不重要。这些发现将焦点引向一个问题：斑马鱼该运动神经元群体中I_M的这些精确发育动力学如何促进运动回路的正确成熟？初级运动神经元中I_M的这些精确变化纯粹是发育程序的结果，还是它们需要引导可能依赖于活动的其他发育过程？这些变化是否严格与初级运动神经元相关，还是可以以细胞非自主方式作用于塑造其他脊髓神经元的发育？鉴定脊髓神经元离子电流的变化，并结合其功能后果，为理解电内在特性如何塑造运动成熟提供了基础。迄今为止，仅斑马鱼脊髓回路中的初级运动神经元群体被研究了与运动功能特定转变相关的离子电流发育变化。在其他脊椎动物模型中的工作详细描述了小鼠Shox2中间神经元和Renshaw细胞以及小鼠、大鼠和鸡运动神经元中离子电流的变化。迄今为止，对运动神经元中离子电导变化的研究最为广泛。随着研究人员对特定脊髓神经元在运动控制中作用的更全面理解，以及对脊椎动物运动控制演变过程中发育里程碑的更细致理解，脊髓神经元中许多已报道的离子电流变化将可更直接地与运动功能的成熟联系起来。

**结论**

如上所述，多项研究详细描述了脊髓神经元中离子电流的发育变化，但其中很少有研究通过神经元和回路行为的优化将这些变化直接与运动成熟的具体步骤联系起来。改进跨物种运动成熟里程碑的描绘将使研究人员能够基于这些过往研究，揭示离子电流如何在脊髓运动回路中协调神经元功能。理解离子电流如何在运动控制优化过程中变化，将揭示离散的离子电流变化可能引导的特定成熟过程。