黄兴 胡扬

1北京体育大学（北京 100084）

2首都体育学院（北京 100191）

大脑的正常生理功能依赖于神经活动与血流动力学之间的紧密配合，这种机制称为神经血管耦合，其对于神经元兴奋所致的大脑局部血流的分配具有重要意义。神经血管耦合的构成包括神经元、星形胶质细胞和血管，神经活动释放的神经递质与星形胶质细胞上的受体结合，激活钙信号并传递至终足附近的血管上，激活相应信号通路并释放血管活性物质引起血管反应。近年来，多项研究表明，星形胶质细胞终足上的瞬时感受器电位离子通道家族香草素受体亚家族Ⅳ型（transient receptor potential vanilloid 4，TRPV4）通道对于细胞内钙离子的调控起重要作用[1，2]，因而星形胶质细胞TRPV4通道对神经血管耦合的作用日益引起相关学者的关注。

1 神经血管耦合

神经血管单位（neurovascular unit，NVU）的概念，强调了内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞、基膜、小胶质细胞、神经元以及细胞外基质之间的动态相互作用[3]。中枢神经系统对信息的处理是一个精细的过程，有赖于神经元与神经胶质细胞之间的功能联系，也依赖于脑细胞与大脑微环境之间的动态作用[4]。神经元与血管间的相互协调作用对于维持大脑活性具有重要意义，大脑局部神经活动增加，会导致该区域摄氧量的增加，此时大脑的代偿机制是通过局部小动脉的扩张来增加局部能源物质以满足代谢所需。这种神经与血管之间的动态信息交流机制被称为神经血管耦合。

神经血管耦合并非是简单的神经活动导致血管活性物质的释放最终引起小动脉扩张，星形胶质细胞在该机制的调节过程中起到重要作用[5]。在中枢神经系统中，星形胶质细胞是感觉和管理的枢纽，它在大脑自平衡的过程中扮演着重要角色，包括匹配局部大脑的血流到神经元的新陈代谢（神经血管耦合）。这些细胞控制了一个多分枝的网络进程，这个过程从体细胞伸出到神经元的突触，到小动脉和毛细血管，以包裹在血管周围的终足结尾[1]。星形胶质细胞包绕着神经元突触，并表达多种神经递质的功能性受体，以配体与受体结合的方式感受神经活动的改变。同类星形胶质细胞的终足是可相互接触的，它们无限地接近微血管系统并紧紧地包绕于血管壁周围，这为星形胶质细胞与血管的物质交换提供了有效的结构基础；同时，这种空间结构也决定了神经血管耦合是由突起传递至终足的钙信号调控的，当神经递质与星形胶质细胞突起上的受体结合即可激活神经血管耦合[6]。

星形胶质细胞内钙离子浓度的增加发生在大脑小动脉舒张之前，这进一步证实钙信号参与调节小动脉的血管紧张度[7]。钙信号主要由位于星形胶质细胞上的代谢型谷氨酸受体与相应的神经递质结合所激活，引起细胞内钙离子浓度增加[6]。其他神经递质如三磷酸腺苷、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸或神经肽类也能与其相应受体结合产生钙信号，星形胶质细胞在神经血管耦合机制中的主要功能是钙信号的激活[8]。钙信号是通过钙离子波的方式沿突触向周围的星形胶质细胞终足上传递。星形胶质细胞中钙离子信号产生机制是神经递质激活了磷脂酶C（ phospholipase C，PLC）信号通路，使质膜上的二磷酸酯酰肌醇水解生成三磷酸肌醇（1，4，5-triphosphate，IP3）和甘油二酯（diacylglycerol，DAG），IP3与位于内质网上的IP3受体（ IP3 recep⁃tor，IP3R）结合使钙离子库释放钙离子，继而细胞内游离钙离子浓度增加[9]。这一现象又可被环匹阿尼酸（cyclopiazonic acid，CPA）显著抑制，CPA是一种肌浆网/内质网上Ca2+-ATP酶抑制剂，可耗竭钙离子库的贮存钙[10]。终足钙离子浓度有限的增加（IP3/Ca2+闪光光解）可改变实质小动脉的直径，因此终足钙离子信号可控制小动脉管腔和局部灌注[9,11,12]。终足钙离子过多会引起血管收缩[11]。Dunn等[1]研究发现，TPPV4通道激活时观察到的10个最高振幅的终足钙离子振动，瞬时扩大了实质小动脉平均直径11%，观察到的最高振幅的振动，接近于血管从扩张到收缩时终足钙离子浓度的临界值。这些研究都进一步证实了星形胶质细胞终足钙离子浓度改变在神经血管耦合中的重要调控作用。

另有研究发现，在小鼠大脑皮层上给予TRPV4激动剂GSK1016790A，可增加星形胶质细胞上钙信号的振幅及频率;给予TRPV4抑制剂HC-067047导致终足内钙离子浓度的下降;然而在TRPV4基因敲除鼠上使用TRPV4激动剂或抑制剂均未出现以上现象。同时发现TRPV4抑制剂并不能改变静息状态下大脑血管功能[1]。由此可见，TRPV4通道与钙信号的增强有关。并且，TRPV4通道的直接激活，增加了IP3R依赖的钙离子信号。通过TRPV4通道的钙离子进入，引起了IP3Rs的激活，同时放大了局部钙离子信号并启动钙离子波。但研究发现，这些振动的快速终止可能反映了局部钙离子的高幅度增加导致IP3R和TRPV4通道的抑制[1]。

2 TRPV4通道

TRP通道最早发现于果蝇的视觉系统，突变体果蝇对持续的光刺激只产生瞬时而非持续的锋电位，因此而得名。TRP基因编码的蛋白质广泛分布于哺乳动物中，包括人类。研究发现，TRP通道超家族成员广泛分布于多种组织（主要在脑组织，除此之外还分布于血管、肾脏、心脏、睾丸、肝脏、肺脏、脾脏、肠、卵巢、前列腺、胎盘和子宫等）和细胞（例如胶质细胞、血管内皮细胞、上皮细胞、平滑肌细胞、感觉神经元、初级传入神经元等）[13，14]。

作为一种非选择性阳离子通道，TRP通道主要通透Ca2+，Na+和 Mg2+。TRPV4通道的 Ca2+与 Na+通透性比约为10/1。当通道开放时，细胞膜电位由-70 mV去极化到0 mV左右，胞内钙或者钠离子浓度升高[15]。TRP通道超家族成员对以下刺激相对敏感，如渗透压的改变、pH、温度变化、机械刺激、神经递质释放等，在离子通道领域的研究中已成为热点。研究发现，脑缺血缺氧过程中伴随着多种TRP通道蛋白表达水平和活性的变化[16]。

TRPV通道家族起初在中枢神经对痛觉反应的蛋白质表达中被发现。这类通道可以被化学性刺激、热刺激、细胞肿胀、胞内钙离子浓度降低、内源性或合成的配体等多种信号激活[17]。目前发现，TRPV1，TRPV3和TRPV4通道与脑缺血缺氧相关[18]。

TRPV4通道最早是于2000年由Liedtke等人提出[17,19-21]。人类的TRPV4基因存在于12q23-q24染色体上，表达于第15号外显子上[22]。目前己确定TRPV4的5种亚型，分别是TRPV4-A-E。细胞内质网中蛋白质储留、低聚反应缺失和通道失活的现象可由亚型B，C和E在N-末端锚蛋白重复结构域（ANK）的缺失所导致[23,24]。

结构上，TRPV4通道蛋白由871个氨基酸组成，氨基端和羧基端均位于胞质侧，其具有6个跨膜区（S1-6），在S5与S6区之间有一个发卡通道结构，形成孔通道环，该孔通道环允许钙离子等阳离子通过[25，26]。TRPV4通道蛋白约30%体积位于胞膜上，约70%暴露于细胞内或细胞外，该结构特点为其与细胞内外的蛋白相互作用从而调节通道的功能提供了极大便利[27]。

起初，人们发现TRPV4通道是一种能被因低渗引起的细胞肿胀而激活的离子通道[28-32,16]。后续研究表明，TRPV4通道还可被温热、机械、花生四烯酸及其代谢物等多种刺激所激活[33，34]。在中枢神经系统中，TRPV4通道主要分布于大脑皮层、海马、丘脑、小脑等部位[35-42]。

3 星形胶质细胞中TRPV4通道与IP3R的协同作用对钙离子的影响

被细胞内质网薄膜中IP3Rs通道调节的细胞内钙离子浓度的瞬时增加使得化学传递物质如谷氨酸，ATP和D-丝氨酸释放，从而调节了突触的传递和神经元的兴奋[43]。星形胶质细胞中IP3R依赖的钙离子信号对神经血管耦合也非常重要，这是一个通过局部脑血流与神经元代谢相匹配的过程。随着神经活动的增加，联合释放了谷氨酸结合代谢性谷氨酸受体（mGluRs）在突触周的星形胶质细胞突起上，刺激磷脂酶-C依赖的IP3从膜磷脂释放出来。释放的IP3启动了IP3R依赖的钙信号，这个钙信号像波一样从膜磷脂经过星形胶质细胞到血管周围的终足[44]。当IP3R-依赖的钙离子波到达终足时，钙离子浓度的升高激活钙离子敏感通道来释放作用于血管的物质，这导致临近的小动脉舒张[18，45]。所以终足钙离子浓度耦合于血管的直径和局部的灌注，但是对这种关联存在两面性：在终足钙离子浓度变缓的增长扩张了薄壁组织的小动脉，然而高终足钙离子浓度使它们收缩[46]。这种双向作用的血管反应意味着终足钙离子必须被很好地管控来保证充足的灌注和保持大脑的内稳态。

研究发现，11,12-EET（1μM），内源性的TRPV4激动剂，诱发快速的、高振幅的钙离子振动，增加振幅52% ±13%，钙离子浓度从0.75±0.13ΔF/Fo到1.66± 0.22ΔF/Fo（n=4 slices from three animals）。同时，11,12-EET对终足钙离子的影响被TRPV4阻滞剂HC-067047所阻止，11,12-EET没有显著增加钙离子的振动频率,提示了TRPV4通道的中介作用。这些结果共同支持了功能TRPV4通道在血管周围星形胶质细胞终足的存在，TRPV4通道的直接激活，增加了IP3R依赖的钙离子信号。通过TRPV4通道的钙离子进入，引起了IP3Rs的激活，同时放大了局部钙离子信号并启动钙离子波。但这些振动的快速终止可能反映了局部钙离子的高幅度增加导致IP3R和TRPV4通道的抑制[1]。

4 大脑缺血缺氧对TRPV4通道的影响

大脑缺血缺氧时，主要通过以下两方面激活TRPV4通道：一方面，大脑缺血缺氧造成细胞水肿，因而通过改变细胞膜机械张力激活TRPV4通道；另一方面，大脑缺血缺氧造成能量代谢障碍，产生的大量花生四烯酸（AA）通过其代谢产物5,6-环氧二十碳三烯甘油酸（5,6-EET）等也能激活TRPV4通道[32]。

TRPV4通道激活后，会引起Ca2+内流[34,36,37]。研究表明，当初级感觉神经元上的TRPV4通道被激活后，影响其下游的信号通路，如PKA、PKC、PKG、CaM-CaM⁃KII，进而调节细胞膜上的 Na+、K+、Ca2+通道[35-38]以及TRPV1通道的功能[34]，因而提高神经元的兴奋性[30]。因此，TRPV4通道被激活后，除了直接引起钙离子内流外，可能还通过调节细胞膜上的离子通道，延长细胞去极化过程，进一步增加Ca2+内流，导致胞内Ca2+超载。另一方面，研究表明，当TRPV4通道被激活时，增加了海马神经元之间微小突触后电流的频率[43]，且渗透压改变的刺激，或者TRPV4通道激动剂，都能使海马兴奋性突触后电位增强，并降低其双脉冲易化。这表明，激活TRPV4通道，能使突触前释放的谷氨酸增加，并易化谷氨酸的兴奋性毒性作用。高渗刺激可抑制突触前钙离子通道开放，减少神经递质的释放，进而抑制海马神经元的突触传递[47，48]。

研究发现，在肺泡巨噬细胞、膀胱上皮细胞和冠状动脉血管内皮细胞上，当激活TRPV4通道时，钙离子浓度会升高，进而促进过氧化氢、超氧阴离子和NO的产生[49]。钙离子升高后激活一氧化氮合成酶（NOS），产生大量一氧化氮（NO），NO通过多种机制在脑缺血时发挥神经毒作用，并能与活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）相互转化。这也是大脑缺血缺氧后神经细胞发生兴奋性抑制的重要因素之一。大脑缺血缺氧导致TRPV4通道激活后，也可能通过这条途径，引起神经元的兴奋性抑制[48]。

5 大脑星形胶质细胞TRPV4通道在运动科学领域应用展望

5.1 运动性缺氧所致的中枢疲劳

运动性疲劳的生物学机制和运动后的恢复手段一直以来都是体育科学领域的重要研究内容。中枢是运动性疲劳的重要发生部位。研究发现，一次性力竭运动过程中记录大鼠皮层脑电，在大鼠力竭运动过程中，皮层运动区神经元电活动随着运动疲劳的发生，兴奋性降低，呈现广泛的抑制现象[50]。无论是神经-肌肉疲劳链，亦或神经-激素、免疫系统和代谢调节疲劳链，脑部在疲劳链中居首位，也是最易发生疲劳的组织之一[51]。

Ca2+代谢学说一直以来都是大脑缺氧导致中枢疲劳和脑细胞损伤的重要机理学说。Ca2+代谢学说指出，当发生运动性脑缺氧时，脑细胞线粒体的氧化磷酸化过程会受到影响，造成NADH堆积，Ca2+内流。而长时间剧烈运动后，Pi浓度上升可促进大量Ca2+进入线粒体，造成线粒体肿胀，Ca2+过度负荷使得线粒体机能紊乱，氧化磷酸化过程进一步受到影响，从而对细胞的正常功能产生影响，造成中枢疲劳[51]。大脑缺血缺氧时，一方面引起细胞水肿能够通过改变细胞膜机械张力激活TRPV4通道，另一方面能量代谢障碍产生的大量花生四烯酸（AA）通过其代谢产物5,6-环氧二十碳三烯甘油酸（5,6-EET）等也能激活TRPV4通道[32]。因此，运动缺氧情况下TRPV4的激活情况，及其对钙离子内流的影响等方面的研究可能可以更深层次解释运动所导致中枢疲劳的生物学机制。

5.2 高原训练中运动能力下降

高原缺氧造成的最大摄氧量降低，运动员难以保持与平原相同物理负荷强度进行训练，一直是教练员和体育科研工作者关注的问题。本文作者实验室运动人体实验研究发现，在急性低氧递增负荷运动中，环境氧浓度越低，脑部前额叶皮质的氧合血红蛋白下降的拐点越提前（待发表），提示缺氧所导致的脑部血流动力学变化可能是低氧环境中人体运动达不到平原最大运动强度和运动提前终止的重要原因。而脑部星形胶质细胞TRPV4通道在神经血管耦合中起到重要作用，是调节脑部血流分配的重要通道。因此，从脑部星形胶质细胞TRPV4通道着手探索高原训练中中枢神经机能变化具有重要意义。

综上所述，神经活动释放的神经递质与星形胶质细胞突起上的受体（主要是代谢型谷氨酸受体）结合激活IP3R产生钙信号，通过TRPV4介导的钙内流增强钙信号并传递至终足，随后在终足和血管区域内将钙信号转换为血管反应。当钙离子浓度达到一定高度，各通道关闭，血管收缩，局部血流降低。当脑缺血缺氧时，会引起细胞水肿和能量代谢障碍，激活TRPV4通道，导致细胞内钙离子大量内流。在运动科学领域，运动所致的脑缺氧，以及高原训练中低氧环境和运动双重刺激所致的脑缺氧，导致运动的提前终止，可能可以从大脑星形胶质细胞中TRPV4通道的研究中寻找其生物学机制。