SYNAPTIC TRANSMISSION DESPITE SEVERE HYPOXIA IN HIPPOCAMPAL SLICES OF THE DEEP-DIVING HOODED SEAL

深潛水海豹海馬切片在嚴重缺氧下的突觸傳遞

來源：Neuroscience, Volume 334, 2016, Pages 39-46

《神經科學》第334卷，2016年，第39-46頁

 

摘要：

論文摘要指出深潛水冠海豹的腦神經元具有固有的缺氧耐受性。研究通過體外場電位記錄比較海豹與非潛水哺乳動物（小鼠和馴鹿）海馬切片在嚴重缺氧下的突觸傳遞。結果顯示，海豹切片在3小時缺氧下能維持突觸活動（幅度>30%正常值），而小鼠和馴鹿的突觸活動迅速消失且無法恢復。AMPA型谷氨酸受體拮抗劑CNQX消除了海豹的信號，證實其為真實的突觸反應。海豹的配對脈沖促進（PPF）減弱，表明突觸前鈣離子（Ca2+）積累可能受限，可能與高鈣緩沖能力有關，這解釋了海豹神經元的缺氧耐受性。盡管鈣結合蛋白calbindin d28k或parvalbumin的mRNA表達無顯著上調，但近期研究顯示海豹S100B鈣結合蛋白轉錄水平高，支持這一假設。

 

研究目的：

研究目的是調查海豹突觸傳遞在嚴重缺氧下的耐受性，比較其與非潛水哺乳動物（小鼠和馴鹿）的差異，并探討鈣離子調節在缺氧耐受中的作用。具體目標包括：a) 評估海豹是否能維持突觸傳遞在缺氧條件下；b) 檢查海豹的PPF是否減弱；c) 測試PPF差異是否反映鈣結合蛋白表達變化。

 

研究思路：

研究思路采用體外海馬切片技術，記錄CA1區的場興奮性突觸后電位（fEPSP）。比較深潛水冠海豹、小鼠和馴鹿的切片，暴露于嚴重缺氧條件（95% N2/5% CO2），使用丹麥Unisense電極監測氧含量以確保缺氧嚴重性（氧分壓降至<3% within 3 min）。測量fEPSP幅度、PPF以及鈣結合蛋白基因表達（通過RT-qPCR）。數據分析包括統計比較fEPSP變化、PPF幅度和基因表達差異，以驗證缺氧耐受機制。

 

測量的數據及研究意義：

1 測量了fEPSP幅度在缺氧下的變化：海豹切片在3小時缺氧下維持>30%幅度，且再氧合后恢復至~50%，而小鼠和馴鹿切片在4-6分鐘內突觸活動消失且無恢復。數據來自圖1、圖2和圖3。研究意義是直接證明海豹突觸傳遞具有卓越的缺氧耐受性，為非潛水物種提供對比，突顯海豹的神經適應機制。

 

 

 

2 測量了配對脈沖促進（PPF）：海豹切片的PPF顯著減弱（第二脈沖幅度<120%），而小鼠和馴鹿顯示正常PPF（140-160%）。數據來自圖4。研究意義是表明海豹突觸前鈣離子內流可能受限，減少興奮性毒性，這可能是缺氧耐受的關鍵因素。

 

3 測量了鈣結合蛋白基因表達：通過RT-qPCR分析calbindin d28k和parvalbumin的mRNA，在缺氧和常氧下無顯著差異。數據來自圖5。研究意義是雖然未發現誘導性變化，但提示海豹可能具有組成型高鈣緩沖能力（如S100B），支持PPF減弱和缺氧耐受的假設。

 

 

結論：

1 海豹海馬切片在嚴重缺氧下能維持突觸傳遞長達3小時，而小鼠和馴鹿的突觸活動迅速失效，表明海豹具有內在的神經缺氧耐受性。

2 海豹的PPF減弱，提示突觸前鈣離子調節改變，可能通過高鈣緩沖能力限制鈣積累，減少缺氧損傷。

3 鈣結合蛋白表達分析未顯示缺氧誘導變化，但結合S100B的高表達，海豹的缺氧耐受可能與組成型增強的鈣緩沖機制有關。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

丹麥Unisense電極（Clark型氧分壓微傳感器，型號OX25）用于實時監測記錄室中的氧分壓（PO2），確保實驗條件的嚴格控制。測量數據顯示，缺氧后氧含量在3分鐘內降至<3%，10分鐘內降至<1%，驗證了嚴重缺氧環境的建立。研究意義在于排除了氧濃度波動的混淆因素，保證了缺氧挑戰的一致性和可靠性，使fEPSP和PPF結果更具說服力。通過精確量化缺氧程度，該電極數據支持了海豹突觸耐受性的真實性，并有助于區分生理響應與實驗偽跡，為缺氧機制研究提供了關鍵的環境控制證據。