综述：运动诱导的Ia本体感觉输入至脊髓运动神经元的可塑性

《Neuroscience》：Exercise-induced plasticity of Ia proprioceptive input to spinal motoneurons

　　

单突触Ia传入通路为脊髓运动神经元（MNs）提供直接而强烈的兴奋性驱动，构成反射调节、肌肉间协调和运动表现的关键基础。尽管其在感觉运动控制中起核心作用，但不同形式的体育训练如何重塑Ia对MNs的输入尚不清楚。本综述中，研究人员总结了最近在大鼠中进行的细胞内研究，揭示了MNs类型特异性可塑性的模式。全身振动（WBV）和渐进式举重训练均以高阈值运动单元的募集为特征，可导致快速型MNs中Ia兴奋性突触后电位（EPSPs）的显著增强。相比之下，耐力跑步机跑步严重依赖于慢速、抗疲劳运动单元的募集，选择性地加强了慢速型MNs中的Ia EPSPs。这些发现支持了一种范式，即Ia突触兴奋在特定训练任务中最频繁和强烈募集的MNs上优先增强。这种选择性提供了脊髓如何优化本体感觉整合以支持力量、运动协调和耐力改善的机制见解，对训练目的和康复策略具有重要影响。

在引言部分，研究人员指出运动系统内的神经可塑性是适应慢性体力活动水平变化的基本决定因素。尽管肌肉表型的变化对长期训练效果有贡献，但许多早期在力量、耐力和肌肉间协调方面的改善发生在显著肌肉重塑之前，这表明神经机制在塑造训练初期运动表现中起核心作用。运动适应涉及中枢神经系统的几乎每个区域，从大脑皮层到脊髓。在脊髓机制中，运动神经元（MNs）尤其受到关注，因为它们形成运动指令与所支配肌纤维兴奋之间的连接。已有多项研究证实，由体力活动水平改变引发的MNs内在特性或放电行为的变化。外周来源（特别是肌肉感受器）的突触传递活动依赖性可塑性直到最近才成为研究重点。基于麻醉大鼠细胞内记录的研究允许直接测量MNs中的单突触Ia兴奋性突触后电位（EPSPs），从而量化突触强度和动力学与MNs类型特异性的关联。利用这些方法，近期研究开始揭示来自肌梭的突触传递远比先前认识的更具可塑性。三方面证据支持这一观点：全身振动（WBV）、举重训练和耐力跑步机跑步。本综述的目的是通过整合WBV、抗阻和耐力训练范式的结果，综合关于训练诱导的Ia传入输入至MNs可塑性的新证据。研究人员首先概述Ia与MNs连接的解剖和生理基础，包括MNs之间的基线差异以及近期电生理研究中使用的训练范式。然后，研究人员考察训练特异性适应的电生理证据，并探讨其潜在机制。最后，研究人员考虑对运动控制的功能意义，并强调对人类脊髓本体感觉可塑性研究的转化意义。

在Ia传入输入至运动神经元部分，研究人员描述了肌梭存在于所有骨骼肌中，并位于肌纤维群之间。肌梭通过传入纤维类型Ia和II将感觉信息传递至脊髓，但只有Ia传入与MNs有直接单突触连接。Ia传入具有高动态敏感性，其产生的动作电位频率对应于牵张的大小和速率。单个Ia传入在脊髓腹角灰质内广泛分支，形成与支配母肌的绝大多数MNs以及协同肌中大量MNs的突触。这种广泛分歧使得MNs广泛兴奋，确保肌肉协调激活。反之，每个MNs接收来自多个肌梭的会聚Ia输入，提供反映肌肉长度和速度的丰富本体感觉信号。Ia传入提供直接且强大的兴奋性输入至MNs，构成反射调节和肌肉刚度及力量精细调控的关键基底。慢速MNs比快速MNs接收更高密度的Ia突触末梢，且这些突触的更大比例分布在远端树突上，产生相对于细胞大小更大的兴奋性突触后电位（EPSPs）。在快速MNs中，Ia突触通常集中在胞体和主要树突的近端。Ia突触的效能取决于其数量和大小，但Ia末梢受到来自下行单胺能通路的强神经调控，以及由GABA能中间神经元介导的突触前抑制。MNs对Ia输入的突触后响应也取决于MNs的内在电学特性。大鼠腰段MNs可大致分为快速型和慢速型，对应于它们所支配的运动单元。快速MNs通常表现出低输入电阻（R_IN）、高基强度和高最大放电率，而慢速MNs表现出更高的R_IN、更低的基强度和更低的放电率。这些内在差异塑造了Ia EPSPs如何被整合。

在训练范式和电生理方法部分，研究人员介绍了近期大鼠研究中检验的三种主要范式：WBV、渐进式举重训练和耐力跑步机跑步，它们在机械需求、训练持续时间和频率、肌肉和本体感受器激活的性质以及运动单元募集模式上存在显著差异。WBV是一种独特的机械刺激形式，受试者暴露于快速、低幅度振荡，被认为能特别有效地激活肌梭。在WBV中，频率为50 Hz的振动用于大鼠模型，持续5周，每周5天，每次进行四个30秒的振动组。渐进式举重训练基于短时、高强度抗阻练习，具有分级外部负荷，在大鼠模型中每天两次，每周5天，持续5周，负荷从第一周平均体重的89–94%增加到最后一周的163–171%。耐力训练涉及多次重复的广泛肌肉激活，在大鼠模型中实施为5周渐进式跑步机跑步计划，每天持续时间从20分钟到80分钟，速度每周从14米/分钟增加到33米/分钟。电生理研究在深度麻醉的训练组和对照组大鼠中进行，采用一致的方法，允许直接比较每种训练如何塑造Ia突触传递。细胞内记录从L4–L5脊髓节段的逆行识别MNs进行，支配内侧腓肠肌（MG）或外侧腓肠肌和比目鱼肌（LG-Sol）肌肉。快速和慢速型MNs使用基于后超极化（AHP）半衰时间的标准进行区分，其中快速型MNs的AHP半衰时间≤20 ms，慢速型MNs>20 ms。单突触EPSPs通过刺激同源或异源Ia传入诱发，强度范围为神经中最可兴奋纤维阈值的1.1至2倍。

在Ia突触输入至MNs的可塑性部分，研究人员总结了所有讨论的训练范式都诱导了MNs类型特异性的突触兴奋水平变化。来自雄性大鼠的平均数据总结显示，WBV训练导致快速MG MNs中Ia单突触兴奋增强，表现为EPSP幅度增加和上升时间减少。举重训练也在快速MNs中显著增强Ia突触传递，涉及来自协同肌和同源肌的兴奋，同时伴随R_IN增加和基强度降低。耐力训练后的适应性变化不同，仅在慢速型MG和LG-Sol MNs中观察到来自协同肌的异源Ia EPSPs增强。这些发现支持一个统一的观察：Ia突触传递在特定训练任务中最频繁募集的MNs上增强。例如，WBV和举重训练增强了快速MNs中的Ia突触兴奋，而耐力训练主要增加慢速MNs中的突触兴奋。这种模式特异性反映了不同训练范式优先激活高或低阈值运动单元。

在运动诱导适应的潜在机制部分，研究人员探讨了训练诱导Ia传入输入变化的机制。所有讨论的研究都在麻醉制备中进行，EPSPs记录来自对传入纤维的刺激，而非肌肉收缩期间的受体激活。因此，观察到的可塑性明显候选机制是MNs和/或Ia突触中膜受体和离子通道功能的改变，伴随基因表达变化。研究表明，体育活动导致脊髓神经营养因子水平改变，如脑源性神经营养因子（BDNF）及其受体Trkβ、突触素I、生长相关蛋白（GAP-43）和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）的表达增加。逆行信号从肌肉运输至脊髓似乎与MNs活动依赖性可塑性相关。假设MNs内在和放电特性通过慢性运动改变，研究人员探讨了观察到的突触传递增强是否源于MNs兴奋性的改变。虽然举重训练组中R_IN显著增加，但回归和协方差分析表明EPSPs幅度与RMP或R_IN的关系不受训练类型影响。Ia末梢的突触前调制是Ia突触效能的重要决定因素，证据表明训练可能修改这种调制。训练后Ia末梢突触前抑制水平降低，且由于训练依赖于长时间重复运动，不需要精确运动控制。最后，Ia突触大小和数量的改变也不能排除，因为一级传入及其中枢连接具有显著可塑性。

在功能和转化意义部分，研究人员讨论了Ia传入输入运动诱导可塑性的功能意义。选择性加强特定任务中募集的MNs的突触传递，以及通过收缩肌肉的反馈反射环路对同源和协同MNs的重复激活，允许感觉运动整合和脊髓神经网络优化。在随意抗阻训练中，增强的Ia传入直接兴奋性驱动可能导致高阈值运动单元更频繁募集，从而在肌肉收缩期间产生更大力量。这对于爆发性动作至关重要，增强的Ia驱动可能促进肌肉刚度和关节稳定性的快速调整。另一方面，耐力训练后慢速MNs中Ia突触功能的适应性变化表明低阈值运动单元更频繁募集。Ia突触仅占MNs表面所有突触的大约2%，但研究指出Ia突触的有效神经递质释放对MNs激活很重要。尽管人体内细胞内记录不可能，但大鼠实验结果可能具有转化相关性，对人类训练、康复和神经调节策略有启示。

在结论和未来方向部分，研究人员总结这些研究共同证明单突触Ia传入传递至脊髓MNs不是固定的，而是作为脊髓运动系统的动态、训练响应元素出现，使脊髓成为运动学习和训练适应的积极参与者。在全身振动、渐进式举重和耐力跑步机跑步中，观察到一致模式：Ia突触传递选择性地在特定训练任务中最频繁和强烈募集的MNs上增强。现有证据指向神经营养因子介导的结构重塑和突触前抑制调制的组合作用负责这些适应。未来工作必须解决Ia可塑性的潜在结构关联、与其他脊髓环路的相互作用以及在性别和年龄中的调制。需要阐明Ia可塑性多快发展以及训练停止后持续多久。不同训练方式是否相互作用也未知。理解这些时间动态和相互作用对于设计有效训练协议以改善运动表现和康复结果至关重要。