全面解析| 一个调节神经元兴奋性的小小关键部件

轴突起始节（axon initial segment，AIS）位于神经元的轴突近胞体端，在神经元上起着非常重要的作用，比如：爆发动作电位，维持细胞极性，调节细胞兴奋性以适应来自神经网络短期或长期的变化。虽然AIS的结构在1960年就已被研究清楚，但是对于它的功能的研究最近几年才有进展。那么AIS在神经网络中有着怎样的功能，它是如何调节神经元的兴奋性的，又是如何调节神经元的输入输出关系的呢？

AIS简介

对于中枢神经系统（CNS）神经元的研究，人们往往比较关注的是胞体和树突，特别是树突棘，因为它们对于整合突触输入以及调节神经元动态适应神经网络状态非常重要，相反，神经元的轴突部分一直被认为是一个静态输出工具。然而事实并非如此，越来越多的证据表明，轴突在调节神经元兴奋性方面起到了非常重要的作用。

轴突上靠近胞体端的位置上有一个特殊的部位，叫做轴突起始节（AIS），该部位是动作电位的爆发的起始位点。诸多研究表明，AIS在发育过程中会出现几次结构的变化，导致神经元的结构和功能有短期或长期的变化，进而影响神经元的输出以及神经元在网络中的功能。我们通常称AIS的变化为AIS可塑性（AIS plasticity），AIS可塑性体现在三方面：（1）AIS能够在轴突上移动，使得自身更加靠近胞体或者远离胞体；（2）AIS的长度能够发生改变；（3）AIS的分子架构也会发生改变。总之，神经元会从这三方面来动态地调节AIS，使其适应自身所处的神经网络的状态变化。

神经科学先驱Santiago Ramón y Cajal在1937年最先发现轴突并不都是从胞体长出来的，有些轴突是从树突分支出来的。因此，AIS的位置也不尽相同，有些种类细胞的AIS起始于胞体，而有些种类的细胞的AIS起始于树突，如图1(A)所示。不同AIS的表型对于神经元的兴奋性以及动作电位爆发特性有着非常重要的影响。

图1. 轴突起始节和它的分子组成。(A)左图为第二、三皮层的锥体神经元的荧光图，红色指示整个神经元，黄色指示AIS，箭头指示AIS的起始端和结束端；右图为两种不同形态细胞的卡通图，两种细胞的轴突分别起源于胞体和树突。(B) 上图为第二、三皮层的锥体神经元的荧光图，红色指示目标细胞，蓝色指示其邻居细胞，黄色指示AIS（黄色荧光蛋白标记的βIV-spectrin，一种AIS上特有的蛋白质）；下图为上图黄色框部分的分子结构。(Bender and Trussell, 2012; Kole and Stuart, 2012)

AIS的分子架构

AIS，轴突起始节，顾名思义，就是位于轴突起始的部位，但是轴突靠近胞体的那一部分就是AIS吗？AIS的起始端和结束端又如何定义呢？

 AIS是由它的分子架构所定义的，它由一种特殊的细胞骨架蛋白及其上面结合的很多其他蛋白质所组成，这些蛋白质都是轴突其他部分所没有的，如图1(B)所示。 ankyrin-G（ankG）是AIS上的一种主要的且特有的骨架蛋白，由ANK3这个基因编码，具有三种亚型，分子量分别为480kDa，270kDa和190kDa。ankG由一种模块蛋白组成，这种模块蛋白可以连接绑定细胞膜和血影蛋白，有富集丝氨酸的尾巴和富集羟基的区域。ankG靠近细胞膜的一端锚定了许多膜蛋白，比如：电压门控的离子通道、神经束蛋白（neurofascin）等，靠近细胞内部的一端连接了轴突中的微管，这使得AIS的分子架构较为稳定。此外，480kDa亚型的ankG还与GABAA受体相关蛋白（GABARAP）有相互作用，起到了稳定GABA能突触的作用。 

AIS上没有核糖体，但是有光面内质网，也称为池状细胞器（cisternal organelle，CO），其存储了大量的Ca2+离子，动作电位的产生恰恰需要快速的Ca2+电流。GABA能中间神经元能够在某些重要神经元的AIS上形成突触，这些突触通常都位于CO附近，在发育的过程中，GABA能中间神经元会重塑他们的突触末端，突触后的AIS也会随之成熟。 

由于AIS由诸多骨架蛋白以及上面绑定的许多蛋白组成，AIS成为了胞体与远端轴突之间的“屏风”，使得细胞具有极性。有实验证据表明，当把ankG敲除后，AIS的骨架受到破坏，细胞也不再具有极性。2003年，Nakakda等人提出了‘尖桩篱栅（picket fence）’模型，将AIS中的骨架蛋白比喻成‘篱栅’，将骨架蛋白上的跨膜蛋白等其他蛋白质比喻为‘尖桩’，使得AIS成为屏障，限制细胞内某些蛋白质的扩散。2018年Leterrier提出，AIS也许不仅仅起到了物理过滤的作用，还可能是由于骨架蛋白的密度而限制了蛋白质的扩散。

AIS的功能

由Hudgkin和Huxley的研究，我们知道，动作电位的产生很大程度上取决于Na+电流，同样，AIS上的Na+离子通道使得该处的阈值最低，从而导致动作电位最先从AIS处爆发。AIS上的Na+离子通道有多种亚型，不同种类的细胞有着不同的亚型和不同的离子通道密度。

在大多数神经元中，Nav1.6是最主要的Na+离子通道亚型，位于AIS的远端（远离胞体的一端），它有更低的激活阈值，又与具有巨大电容的胞体距离较远，因此动作电位会在AIS的远端，也就是Nav1.6聚集的部位爆发。相反，Nav1.2位于AIS的近端，对于动作电位向胞体方向的回传起着重要的作用，如图2(A)所示。

关于AIS上Na+离子通道的密度，目前备受争议。研究人员用免疫染色和电子显微镜观察发现，Na+离子通道在AIS上的密度最高，而用细胞吸附和外部通道检测的方法则发现在胞体和AIS上的密度并无差别。后续的研究中，有的发现AIS上Na+离子通道密度比胞体和树突上的密度高50倍，也有人发现仅仅高3倍，也许是因为不同的细胞种类导致有如此大的区别。 

动作电位的复极化需要K+离子通道，AIS上的K+离子通道也有多种亚型，其中，起到重要作用的有Kv1和Kv7通道，如图2(B)所示。在第五层锥体神经元中，Kv1通道富集在AIS上，用于调控动作电位的形状，当它被抑制时，动作电位的形状变宽。Kv7.2和Kv7.3通道存在于整个神经元上，但是在AIS处更富集，它们绑定在ankG上，起着调解M-电流、控制动作电位阈值、调节神经元兴奋性以及稳定神经元静息电位的作用。 

关于AIS上Ca2+离子通道的研究则没有定论，不同细胞有着不同的表现。在背部耳蜗核中间神经元、锥体细胞和浦肯野细胞中，AIS上富集了大量的T型和R型的Ca2+离子通道，影响动作电位的产生和爆发时间，而在第五层皮质锥体神经元中，AIS富集了大量的P/Q型和N型的Ca2+离子通道，增加了神经元兴奋性，影响动作电位的复极化。

图2. AIS上的离子通道以及他们对动作电位的调节作用。(A) Na+离子通道亚型 Nav1.6位于AIS的远端，负责动作电位的产生，Nav1.2位于AIS的近端，影响动作电位向胞体的回传。(B) K+离子通道亚型Kv7位于AIS近端，激活缓慢，可以抑制动作电位持续爆发，Kv1位于AIS远端，被阻断后会使得动作电位形状变宽。

AIS可塑性

AIS的可塑性有两种：一种是发育过程中的可塑性，另一种是成熟后随着网络状态的改变而发生的可塑性。在小鼠或者小鸡的感觉系统中，AIS随着感觉系统的活动逐渐发育成熟，如图3(A)所示，但在非感觉皮质的神经元中没有发现这一特点。 

关于AIS在成熟之后的可塑性的研究，最早是在2010年，Grubb和Burrone通过增加细胞外液K+离子的浓度或者用光遗传的方法增加对细胞的刺激频率，使得细胞的AIS向远离胞体的方向移动，与之伴随的是神经元的兴奋性降低。Kuba等人还发现，当去除小鸡的耳蜗，也就是去除神经元的感觉输入后，核大细胞神经元的AIS长度变长，免疫染色后发现，AIS上的Na+离子通道也相应增多，使得神经元更加兴奋。总之，当神经元处于更兴奋的状态时（即突触前的输入更多时），它会通过调节AIS，使自身不那么兴奋，相反，当神经元兴奋性减弱时，AIS也会相应地变化，使得自身更兴奋，AIS起到了维持神经元兴奋程度稳定的作用，如图3(B-C)所示。 

在一些疾病模型中，AIS的位置和长度也会有所变化，但是目前还不清楚AIS可塑性与疾病之间谁是因谁是果。有些研究发现突变AIS上的某些离子通道与癫痫相关，也有些研究表明，在天使综合征、阿尔兹海默症、脱髓鞘疾病等情况下，神经网络的状态发生变化，会导致神经元的AIS有相应的变化。

图3. AIS可塑性。(A)在感觉系统发育的过程中，神经元在能够接收感觉输入之前，AIS增长，之后随着突触的刺激，AIS逐渐变短变成熟。(B)感觉剥夺后，AIS变长，增加了神经元的兴奋性。(C)增加突触刺激后，AIS变短并且/或者向远离胞体方向移动，降低了神经元的兴奋性。(D)在许多病理生理学条件下，AIS也会发生长度或位置的改变。

总结与展望

AIS在不同细胞类型、不同实验条件、不同时间尺度下有着多种多样的可塑性，且大多数的可塑性的作用都是维持神经元自我兴奋性的平衡，因此，Maren等人提出AIS对于维持神经网络的稳态有着非常重要的作用。

目前，关于AIS的研究，仍然有一些问题亟待解决，比如：AIS可塑性产生的机制是什么？AIS在移动或者变化长度的过程中，骨架蛋白是如何自组织的？AIS可塑性如何影响神经网络？ANK3突变如何影响神经发育障碍？我们期待研究人员能够用更多更好的研究方法加深我们对AIS的认识与理解。

参考文献：

【1】Baalman, K.L., Cotton, R.J., Rasband, S.N., and Rasband, M.N. (2013). Blast wave exposure impairs memory and decreases axon initial segment length. J Neurotrauma 30, 741–751. 

【2】Baranauskas, G., David, Y., and Fleidervish, I.A. (2013). Spatial mismatch between the Na+ flux and spike initiation in axon initial segment. Proc Natl Acad Sci U S A 110, 4051–4056.

【3】Bean, B.P. (2007). The action potential in mammalian central neurons. Nat Rev Neurosci 8, 451–465.

【4】Bender, K.J., and Trussell, L.O. (2012). The physiology of the axon initial segment. Annu Rev Neurosci 35, 249–265.

【5】Brachet, A., Leterrier, C., Irondelle, M., Fache, M.P., Racine, V., Sibarita, J.B., Choquet, D., and Dargent, B. (2010). Ankyrin G restricts ion channel diffusion at the axonal initial segment before the establishment of the diffusion barrier. J Cell Biol 191, 383–395. 

【6】Maren Engelhardt*, Nora Jamann, Winnie Wefelmeyer. (2019). Small domain, large consequences: the axon initial segment as a key player in neuronal excitability. Neuroforum 2019; 25(1): aop  

作者信息

 

编译：伞姆塔（brainnews创作团队成员）

校审/排版：Simon （brainnews编辑部）

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