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探索雄激素是如何影响鸣禽斑胸草雀鸣唱控制系统及鸣唱行为

2020-05-29 266 上传者：管理员

摘要：雄激素对鸣禽鸣唱具有重要影响。国内外近年研究表明，体内雄激素水平不仅影响鸣禽外部形态，而且影响其鸣唱行为。雄激素(包括衍生物)对鸣唱行为和鸣唱系统的影响是多方面的。本文以本研究组近年在斑胸草雀上的工作为主，总结了雄激素对鸣禽鸣唱行为、鸣唱系统投射神经元兴奋性及突触传递的影响及其与脑内其它递质受体的相互作用。

关键词：
兴奋性
斑胸草雀
生理学
递质受体
雄激素
鸣唱
鸣唱控制系统
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鸟类的鸣唱是一种习得行为。通常雄鸟羽色艳丽且善鸣，而雌鸟羽色暗淡且很少鸣唱。这些外形与行为的差异与体内性激素密切相关。性激素是一种强大的调节剂，因为它们通过血液循环系统，可能作为体内任何组织的转录因子。性激素作用的这些潜在靶点表达适当的受体和/或代谢酶[1]。通常雄鸟体内的雄激素水平远高于雌鸟，这是决定其性二态的重要原因之一。雄激素对鸣禽鸣唱的影响一直是鸟类学家关注的问题。已有大量研究表明，雄激素对鸣禽鸣唱的影响从幼鸟时期就已开始并持续至成年。无论幼鸟还是成鸟，改变体内雄激素水平直接影响鸣唱行为[2]。

鸟类的鸣唱由脑内特定的鸣唱控制系统所支配。鸣禽的鸣唱系统由两条通路组成。一条为高级发声中枢-弓状皮质栎核-舌下神经气管鸣管亚核，另一条为HVC-X区(Xarea)-丘脑背外侧核内侧部-巢皮质前部巨细胞核外侧部RA。前者被称为发声运动通路，此条通路与人类的运动皮层-脑干通路相似[3]。后者被称为前端脑通路，与人类的皮层-基底神经节-丘脑-皮层环路相似[4]。它们的共同起始端为HVC,RA是两条通路的汇聚点。VMP决定鸣唱的产生，AFP与幼年鸣禽的鸣唱学习以及成年鸣禽的鸣唱维持相关[5,6,7]。目前已发现前脑所有与鸣唱相关的核团均含有雄激素受体，而HVC和X区则含有雌激素受体[8,9]。

鸣禽体内的雄激素主要源自睾丸分泌的睾酮。雄激素是由胆固醇合成而来，通过一系列生物化学反应形成睾酮，睾酮经血液循环到达脑，在HVC经5α-还原酶的作用可被转化为5α-双氢睾酮(5α-dihydrotestosterone,5α-DHT)，后者是睾酮在脑内的主要形式。然后在芳香化酶的作用下形成雌二醇(E2)[10]。性激素可以通过两种途径影响神经元的活动：一种是性激素透过细胞膜，与细胞核的特异性激素受体结合后进入细胞核，影响基因的表达，这种作用相对缓慢；另一种是类似神经递质快速改变细胞膜对神经递质及其释放的兴奋性和敏感性，雌激素有时会以这种方式起作用[11]。

斑胸草雀易于繁殖，雄鸟善于鸣唱，雌鸟很少鸣唱。这样就可以直接分析性激素和鸣唱学习的关系。因此，斑胸草雀鸣唱系统可以作为研究激素对鸣唱相关的感觉和运动过程的影响及行为性别二态性机制的理想动物模型[12]。

在斑胸草雀鸣唱核团中，雄鸟的鸣唱核团(HVC,RA和nXIIts)体积普遍大于雌鸟，而雌鸟的X区缺失[13]。相对于雌鸟，雄鸟具有更多的HVC、RA神经元[14]。雄鸟具有更加致密的HVC-RA神经连接。更重要的是，雌鸟在发育过程中丢失了大量LMAN投射到RA的神经元[15]。雄鸟RA神经元具有更多的树突棘[16]，这为RA核团整合两条通路提供了神经结构基础。雄鸟HVC、RA和X区相对于雌鸟表达更多的雄激素受体[17,18,19]。本研究组的研究表明，雄鸟RA投射神经元相对于雌鸟具有更高的自发和诱发动作电位发放频率[20]。这些可能是雄性斑胸草雀善于鸣唱而雌性斑胸草雀不善鸣唱的原因。

雄鸟去势是一种简便的降低血浆睾酮的方式。去势后鸣曲发生改变。而去势后再埋植睾酮可以观察到鸣曲的恢复。雌鸟埋植睾酮可以增加其体内雄激素水平，鸣唱行为也有所改变。因此，本研究组近年来围绕斑胸草雀去势和埋植睾酮，探讨了雄激素对核团体积、神经元数目和鸣曲的影响，鸣唱系统相关核团的电生理机制，以及雄激素与脑内其它递质受体的相互作用。

1、雄激素对斑胸草雀鸣唱行为的影响

自然界的日照周期变化导致体内雄激素水平的季节性波动。在季节性繁殖的鸣禽中，如金丝雀，鸣唱行为主要受睾酮及其代谢产物的控制。秋季的短日照打破了光折变，而春季的短日照则通过光周期和激素机制激活了鸣唱[21]。研究表明，长日照同时埋植睾酮，衡量鸣曲稳定性的几个参数都发生改变，即鸣曲的相似度升高，音节熵值降低，基频、调频的变异系数变小[22]，提示雄激素有助于稳定季节性繁殖鸣禽的鸣曲结构。另有实验表明，HVC、RA和X区在繁殖期体积增加[23,24]，且HVC中的神经元胞体体积和数目均增加，而RA只有神经元胞体体积增加[25,26]。本研究组前期研究结果表明，成年雌性斑胸草雀埋植外源性睾酮后，HVC、RA核团体积趋于雄性化[27]，进而对鸣曲带来影响。

在斑胸草雀幼年期，体内埋植睾酮可以使鸣曲快速稳定[28]，表明雄激素对幼年斑胸草雀鸣曲稳定发挥关键作用。在成年期，斑胸草雀HVC核团体积不变，但是随着年龄增长，核团内神经元的密度逐渐增加，神经元密度的增加主要是由于HVC中投射到RA的神经元增加，这种增加与习得性鸣曲稳定产生有关[29]。

本研究组研究结果显示，去势组(去势30天)与对照组相比，血浆睾酮水平显著降低，而去势+埋植睾酮组与对照组相比，血浆睾酮水平明显提高。声谱实验表明，去势组与对照组相比，鸣曲主题曲相似性降低并且音节熵值升高，而去势+埋植睾酮组与对照组相比，结果正好相反。这表明雄激素可以提高成年雄性斑胸草雀的鸣曲稳定性[2,30]。

去势引起鸣曲结构和稳定性变化。去势后成年雄鸟鸣曲空间结构显著改变，平均频率和峰频率下降，主题曲相似度降低，鸣曲稳定性下降，而损毁LMAN后，平均频率、峰频率、主题曲相似度均恢复至去势前水平，说明损毁LMAN可以逆转鸣曲的变化，表明LMAN对雄激素调节鸣曲变化至关重要[31]。

2、雄激素对鸣唱系统投射神经元兴奋性和突触传递的影响

本研究组近年来利用去势和离体及在体电生理技术，分别对不同性别的成年斑胸草雀的鸣唱系统核团HVC、RA、LMAN、X区的神经元兴奋性及突触传递进行了检测和观察，目的是了解这些核团形态和生理功能的改变对鸣曲的影响机制。

根据HVC内神经元细胞形态和电生理特性的不同，可将其分为3类神经元(2类投射神经元和1类中间神经元)：HVC投射到RA的神经元，简称HVCRA神经元；HVC投射到X区的神经元，简称HVCx神经元；内在的抑制性HVC中间神经元，简称HVCINT神经元[32,33,34]。

鸣唱控制系统的高级发声中枢HVC是VMP和AFP的始端，是发声行为的起始控制脑区，亦可接受听觉信号的输入及反馈，是鸣禽鸣唱调控最为重要的脑区。以往研究表明，雄激素及其代谢产物对鸣禽鸣唱控制有重要作用。去势显著改变鸣禽体内激素含量，进而影响鸣禽鸣曲稳定性，但其具体机制尚未阐明。本研究组运用全细胞膜片钳记录法，在离体细胞水平研究了去势引起的雄激素水平降低对HVC不同类型神经元电生理特性的影响。结果显示，去势组与对照组相比，投射神经元HVCRA、HVCx膜输入电阻减小，膜时间常数降低，动作电位后超极化幅值升高及达到峰值时间延长，表明雄激素可以提高两类投射神经元的兴奋性[35]。

RA为HVC支配核团，对HVC兴奋性的影响会对HVC-RA突触传递产生何种作用值得关注。采用全细胞电压钳记录法记录了雄鸟和雌鸟RA投射神经元的自发兴奋性突触后电流和微型兴奋性突触后电流，结果显示，雄鸟sEPSCs/mEPSCs的平均频率和振幅高于雌鸟，雄鸟sEPSCs/mEPSCs的半宽度和衰减时间均大于雌鸟[36]。这些结果表明，RA投射神经元存在兴奋性突触传递的性二态性，并且雄鸟接受更多的兴奋性突触联系。这些发现有助于进一步阐明成年斑胸草雀鸣唱过程性别差异的神经机制。

RA核团不仅接受来自HVC和LMAN的兴奋性突触传入，内部也存在抑制性局部回路。利用全细胞电压钳记录了雄鸟和雌鸟的自发抑制性突触后电流和微小抑制性突触后电流，结果显示雄鸟的平均频率和振幅均高于雌鸟，表明抑制性突触传递在性别上也存在差异[37]。

离体膜片钳的结果并不能完全说明去势引起的兴奋性和突触传递机制，而在体实验可以进一步补充完善。本研究组应用在体电生理方法观察了去势前后成年雄性斑胸草雀HVC-RA突触的可塑性变化，结果表明低频刺激可引起HVC-RA突触群体峰电位幅度的短时程抑制，高频刺激可引起群体峰电位幅度的长时程抑制。而去势后30天，鸣曲稳定时再给予同样的条件刺激，无论低频或高频刺激，HVC-RA突触的STD和LTD现象同时消失[38]，进而为去势影响HVC-RA突触传递提供了新的证据。

接下来，将成年雄性斑胸草雀分为对照组、去势组与去势+埋植睾酮组，分别记录高频刺激(400Hz,2s)后HVC-RA通路LTD的变化以及双脉冲易化效应。结果显示，高频刺激HVC，在对照组可以记录到LTD现象；去势组中仅有STD现象；去势+埋植睾酮组则恢复LTD现象。双脉冲易化在去势组不明显，而对照组和去势+埋植睾酮组易化率明显高于去势组。以上结果提示，雄激素可能通过影响成年雄性斑胸草雀HVC-RA通路的LTD水平来维持鸣曲稳定性，并对该通路的STD有一定的调节作用[39]。

HVC的另一投射核团是X区。X区内棘神经元接受HVC和LMAN谷氨酸能投射，并发出GABA能抑制性信息至无棘快发放神经元,SN与AF这两类神经元形成了X区内部的突触联系，最终由AF神经元发出信息传递至丘脑DLM。本研究组采用膜片钳电生理技术记录分析X区神经元电生理特性，结果表明成年雄性斑胸草雀去势提高了SN神经元兴奋性，降低了AF神经元兴奋性[40]。

AFP通路的最后一级核团是LMAN，也是最终影响RA核团的另一通路。本研究组利用膜片钳技术观察去势前后LMAN的电生理活动，进一步探究AFP通路与鸣曲的关系。去势后，LMAN神经元的膜时间常数变短，膜电阻减小，动作电位潜伏期缩短，动作电位后超极化幅值降低，同时动作电位发放频率增加。以上结果提示，去势后LMAN神经元兴奋性增强，使AFP通路更加活跃，去势引起的鸣曲不稳定可能是AFP通路活动增强所致[41]。

以上研究大部分工作集中在雄鸟，那么雌鸟埋植睾酮后对RA会产生什么影响值得探索。本研究组又利用膜片钳技术探究了雌鸟埋植睾酮后RA核团投射神经元的电生理特性。结果显示，埋植组与正常雌鸟组相比，动作电位半宽显著减小，后超极化达峰值时间极显著缩短，膜输入阻抗显著减小，膜电容极显著增大，说明埋植睾酮后RA核团投射神经元的兴奋性提高，趋于雄性化[42]。基于此我们推测，雄激素在一定程度上提高了RA核团投射神经元兴奋性，进而使其鸣唱趋于雄性化。

3、雄激素与脑内其它递质受体的相互作用

雄激素可以促进鸣禽HVC核团内细胞体积变大和新生神经元的生成，具体机制是睾酮首先引起HVC核团内血管内皮生长因子升高，导致血管内皮细胞加速分裂，VEGF与其受体VEGFR2的结合能诱导HVC毛细血管进行有丝分裂，另一方面内皮细胞在睾酮的诱导下能分泌脑源性神经营养因子，而BDNF能起到支持营养并整合从端脑室带区迁移而来的新生神经元，最终促进血管生成和新生神经元的生成和募集[43,44]。在季节性繁殖鸣禽中，繁殖季节VEGF和BDNF表达上调[45]。向HVC灌注BDNF,BDNF诱导的HVC内增加的新生神经元数目和埋植睾酮增加的数目相似[46]，进一步表明了雄激素通过增加VEGF和BDNF引起HVC神经元数目增加。另有研究表明，睾酮及其代谢物作用于HVC足以引起传入核团RA和X区的体积增长，在此过程中，HVC可能释放神经营养因子到RA和X区。为了验证这种假设，Wissman等将BDNF灌注到RA，结果显示BDNF可以引起RA胞体体积和神经元密度的增加，表明RA的体积增大是由于HVC释放BDNF通过跨突触作用引起的[47]。将繁殖期成年白冠雀去势，至非繁殖期发现HVC、RA和X区体积逐渐退化[48]。将睾酮灌注HVC附近阻止了HVC体积退化，同时也阻止了RA和X区的体积退化。因此，睾酮可以局部作用于脑区起保护作用和通过跨突触作用来阻止传出核团的退化[25]。在雄性白冠雀中，鸣唱控制系统中HVC神经元的缺失是由细胞凋亡蛋白酶依赖的程序性细胞死亡所介导的。在非繁殖期，HVC神经元对激活的Caspase-3呈免疫阳性，而且向HVC附近灌注细胞凋亡蛋白酶抑制剂阻止了HVC核团退化[49,50,51]。另有研究表明，促进程序性细胞死亡的基因在繁殖条件时受到抑制，抑制程序性细胞死亡的基因在繁殖期上调[45]，表明雄激素升高减少了程序性细胞死亡的数目而使HVC核团体积变大。

本研究组对成年雄性斑胸草雀去势和埋植睾酮，用免疫组织化学方法检测雄激素对鸣唱系统NMDA受体NR2B蛋白表达的影响。结果显示，去势后血浆雄激素水平显著降低，HVC、RA、LMAN核团中NR2B表达显著增加。相反，去势后埋植睾酮使体内雄激素水平比正常值显著增加，LMAN核团NR2B表达显著降低，在HVC和RA中也呈现下降趋势，提示雄激素可以调节成年鸣禽鸣唱系统部分核团NR2B表达，从而引起成年鸣禽鸣唱和神经可塑性变化[52]。

去势后各核团多巴胺D1受体(dopamineD1receptor,D1R)表达及密度都有不同程度的变化。在鸣禽中，D1R的激活可降低X区棘神经元中NMDA受体介导的兴奋性突触后电流[53]。X区棘神经元上诱导的LTP也依赖于D1R的激活[54]。本研究组前期实验结果显示，D1R激活可以抑制RA投射神经元的mEPSCs频率。同时，去势也降低了RA投射神经元的mEPSCs频率，并使D1R在RA、LMAN中的表达量提升。因此我们推测，去势引起的mEPSCs频率降低，可能由D1R介导。组织学研究证实，HVC-RA和LMAN-RA两条通路都含有D1R[55]。D1R与雄激素的相互作用及其对突触传递效能的影响，有待进一步研究。

4、小结

近年来，本研究组通过去势、埋植睾酮等方法对斑胸草雀鸣曲变化，主要发声核团的投射神经元电生理指标以及相关递质受体的性别差异进行了观察和检测，为雄激素对斑胸草雀鸣唱行为和发声系统的影响机制提供了新的证据。尽管已经取得一些进展，揭开了“冰山”一角，然而雄激素对鸣禽的影响机制研究仍有很多工作要做，如性激素的膜受体，与其它递质受体的相互作用机制，相关基因的作用等尚待更多的实验加以验证和阐明。

李东风,王松华,孟玮.雄激素对鸣禽斑胸草雀鸣唱行为和鸣唱控制系统的调控[J].生理学报,2020,72(02):243-248.