轴突树兴奋性动力学：生理可靠性下的传导脆弱性边界研究

《Biophysical Journal》：Dynamics of Excitability in Axonal Trees

本研究针对轴突在持续生理频率刺激下传导可靠性边界这一关键问题，通过高密度微电极阵列(HD-MEA)技术记录了皮层神经元轴突树的动作电位传播动态。研究发现自发性网络活动中的超短峰电位间隔(2-3毫秒)能保持精确传导，而持续10 Hz刺激数秒后远端分支会出现传导延迟和失败。模拟实验表明钠通道慢失活是主要机制，该研究揭示了轴突作为主动传导介质在生理与病理条件下的兴奋性调节边界，对理解神经信息处理具有重要意义。

　　

乔治·毕夏普在1965年曾幽默地写道："轴突不思考，它只负责传导"。过去六十年间，研究逐渐揭示轴突远非被动的电缆结构，而是具有复杂动力学特性的主动传导系统。轴突初始段的动作电位生成、离子通道的非均匀分布、分支点的几何特性等因素共同塑造了神经信息的传递过程。尽管传统观点认为轴突是可靠的传导通道，但人工高频刺激可诱发传导失败的现象提示其存在兴奋性边界。然而，在生理性的自发性网络活动中，轴突是否能维持高保真传导？何种条件下会突破其可靠性边界？这些问题的解答对理解神经信息处理的基本原理具有重要意义。

本研究采用高密度微电极阵列(HD-MEA)技术，在体外培养的大鼠皮层神经元网络中同时记录胞体与轴突树多个位点的电信号。通过分析自发性活动中的峰电位对传导精度，以及比较不同频率(1-10 Hz)电刺激下轴突传导的动态变化，结合基于NEURON平台的计算模拟，系统揭示了轴突兴奋性的时空动力学特征。

自发性活动中轴突传导的高度可靠性

通过分析4873对间隔小于7毫秒的胞体峰电位对，发现轴突树能精确保持原始峰电位间隔。即便在距离胞体1350微米的远端分支，胞体与轴突的峰电位间隔比仍接近1（图2C-D）。

这表明在生理性网络活动模式下，轴突不应期不构成传导瓶颈。

频率依赖的传导衰减现象

当施加持续10 Hz刺激时，远端分支（距离>800 μm）的响应概率显著下降至40%-60%，而1-4 Hz刺激未引起明显变化（图3A-B）。

值得注意的是，传导失败概率与轴突路径长度（r=-0.45）和分支阶数高度相关，但由于二者强共线性（r>0.88），难以统计分离各自贡献。

慢失活介导的兴奋性衰减机制

持续10 Hz刺激引发传导延迟的指数增长（时间常数τ=7.2±4.3秒），且延迟增长速率与自发性传导时间呈正相关（r=0.53，图3D）。计算模拟显示，当几何比率(GR)>1.9时，分支点处钠通道慢失活比例(SNa)超过临界值，导致传导完全失败（图4C）。

这验证了钠通道可用性（g_Na^max=65-120 mS/cm²）是维持传导可靠性的关键参数。

本研究通过多尺度实验验证了轴突在生理活动中的超强可靠性，同时揭示了其在持续中度刺激下通过慢失活机制实现的兴奋性调节边界。这一发现不仅完善了对轴突计算功能的理解，更为病理条件下（如癫痫持续状态）的异常传导提供了机制解释。研究提示轴突并非绝对可靠的传导线，而是具备"临界兴奋性"特征的动态系统，其可靠性边界由离子通道动力学与形态学特征共同决定。未来需要结合在体实验进一步验证这些发现在自然行为条件下的普适性。