机械敏感通道失活诱导可兴奋细胞机械记忆的机电耦合机制

为揭示可兴奋细胞机械记忆现象的内在机制，研究人员构建了整合机械形变、机械敏感(MS)通道状态转换及离子跨膜流动的机电耦合模型。研究发现MS通道（如Piezo）失活导致兴奋性呈现历史依赖性：前期机械刺激的强度、速度及持续时间会通过MS通道失活降低后续激活电流，产生不应期并提高激活阈值。该机制解释了神经元对持续机械刺激的适应性保护，为理解力-电信号转导提供了新视角。

　　

论文解读
生物体中的可兴奋细胞（如神经元）长期暴露在复杂机械环境中，近年研究发现其电活动会"记住"既往力学刺激——这种被称为"机械记忆"的现象表现为当前兴奋性受历史机械刺激调控。尽管现象已被观测到，但机械力如何通过分子机制转化为电信号记忆仍属未解之谜。这一问题的破解对理解触觉传导、机械性疼痛及神经退行性疾病的力学生物学机制至关重要。

研究人员通过建立多尺度机电耦合模型，整合了细胞膜机械形变、机械敏感(MS)通道（如Piezo家族）的门控动力学与离子跨膜流动。研究采用计算生物学方法模拟不同力学刺激范式，通过虚拟电生理实验追踪MS通道状态变化与动作电位发放的关系。

MS通道失活塑造历史依赖性兴奋
研究发现MS通道在机械刺激后的失活状态会持续影响后续响应：前期刺激幅度越大、速度越快、持续时间越长，后续激活电流衰减越显著。这种"用进废退"特性源于MS通道从开放态向失活态的不可逆转变，形成类似电压门控钠通道的"记忆效应"。

机械刺激诱发不应期
当细胞经历首次机械刺激后，MS通道的集体失活会创造绝对不应期（约数十毫秒），在此期间即使施加更强力学刺激也无法诱发新动作电位。这种特性与癫痫发作中的电不应期类似，但首次揭示了力学刺激特异性不应期机制。

机械适应性保护机制
持续刺激促使细胞通过MS通道失活动态提高激活阈值，这种"神经适应(neural adaptation)"现象使细胞对重复机械刺激反应减弱。计算预测显示该机制可防止神经元因持续力学刺激过度激活，为解释机械性疼痛耐受等生理现象提供新思路。

虚拟实验验证力学-电活动耦合
通过调整模型中的膜刚度、MS通道密度等参数，研究预测了两种病理状态：当神经元膜硬化（如衰老相关改变）时，需要更强机械刺激才能激活；而MS通道过表达则导致机械超敏反应。这些结果与神经退行性疾病和机械性痛觉过敏的临床观察高度吻合。

该研究首次阐明MS通道失活是机械记忆的核心分子开关，将离散的力学事件转化为连续的电信号记忆。这一发现不仅完善了细胞力-电转导理论框架，更为开发针对机械敏感性神经系统疾病（如触觉异常、机械性疼痛）的靶向干预策略提供了新靶点。研究采用的机电耦合建模方法为复杂生物物理系统的跨尺度研究建立了范式，相关成果发表于《Biophysical Journal》。