轴突起始段

轴突起始段（英文：Axon Initial Segment, AIS），是神经元轴突上靠近胞体根部的一个高度特化的、无髓鞘的微结构区域。它是动作电位生成的起始点，被誉为神经元的“决策枢纽”或“触发器”。AIS通过整合来自树突和胞体的突触输入，决定是否以及何时产生全或无的动作电位，是神经元输入-输出转换和兴奋性调节的核心部位。

解剖与细胞学特征

• 位置： 位于轴突从胞体或近端主树突发出的起点，长度因神经元类型而异（通常为20-60 μm）。

• 标志性结构：

  1. 高密度电压门控钠通道： 特别是Nav1.1, Nav1.2, Nav1.6亚型，具有较低的激活阈值，是动作电位快速上升相的主要离子流来源。

  2. 锚定蛋白支架： ankyrin-G是AIS的核心组织蛋白。它像脚手架一样，将钠通道、钾通道以及其他细胞骨架蛋白和细胞粘附分子锚定在AIS的特定膜区域，维持其结构完整性和分子组成。

  3. 专门的细胞骨架： 具有密集的微管束和肌动蛋白细胞骨架，提供结构支持并参与物质运输的过滤。

  4. 膜下致密层： 位于膜内侧的电子致密物质，由ankyrin-G等蛋白构成。

• 极性屏障功能： AIS作为分子扩散屏障，阻止树突和胞体膜蛋白（如某些受体）自由扩散进入轴突，维持神经元的结构和功能极性。

功能

1. 动作电位启动：

   • 当来自树突和胞体的突触后电位在AIS处汇总，使膜电位去极化达到阈值时，AIS上高密度的钠通道被快速激活，引发内向钠电流的雪崩式爆发，从而起始动作电位。由于钠通道密度极高，AIS的阈值通常低于胞体和树突。

2. 输入整合与阈值调控：

   • AIS是神经元决定是否发放动作电位的最终整合点。其兴奋性受多种因素调控，包括：

     • 电压门控钾通道： 如Kv1家族，调节膜的再极化和阈值。

     • 局部抑制性输入： 某些神经元在AIS附近接收GABA能突触输入，可直接、高效地抑制动作电位产生。

     • 细胞内外离子浓度。

3. 动作电位反向传播的调控：

   • 产生的动作电位不仅沿轴突顺向传播，也会反向传播回树突，作为树突可塑性的信号。AIS的兴奋性影响反向传播的强度和模式。

4. 神经元兴奋性的长期调节位点：

   • AIS具有显著的结构可塑性。在神经元活动改变或疾病状态下，其位置、长度甚至分子组成可以发生适应性变化，从而整体调节神经元的兴奋性。例如，慢性兴奋性增加可能导致AIS向胞体方向远端移位，提高动作电位产生阈值，起到负反馈调节作用。

分子组成与调控

除ankyrin-G和钠通道外，AIS还包含：

• 电压门控钾通道： 如Kv1.1, Kv1.2, Kv7.2/KCNQ2。

• 细胞粘附分子： 如Neurofascin-186。

• 调节蛋白： 如βIV-spectrin。
  这些分子的精确组装和相互作用由ankyrin-G主导，其功能异常会导致AIS结构破坏和严重疾病。

临床意义

AIS的结构和功能异常与多种神经系统疾病密切相关：

1. 癫痫：

   • 多种遗传性癫痫综合征与AIS相关基因突变有关。

   • KCNQ2/Kv7.2通道突变导致良性家族性新生儿惊厥。该通道在AIS产生抑制性M电流，其功能丧失导致AIS兴奋性过度增高。

   • SCN1A/Nav1.1通道突变导致Dravet综合征（严重的婴儿肌阵挛癫痫）。该通道主要表达于抑制性中间神经元的AIS，其功能丧失导致网络抑制减弱。

   • Ankyrin-G基因突变也与癫痫和自闭症谱系障碍相关。

2. 神经精神疾病：

   • AIS的异常可塑性可能与精神分裂症、双相障碍中观察到的神经元兴奋性失调有关。

3. 神经退行性疾病：

   • 在阿尔茨海默病和帕金森病的早期，即可观察到AIS的结构改变，可能影响神经元功能并促进网络失调。

4. 神经发育障碍：

   • AIS的建立和成熟是神经元极化的重要步骤，其发育异常可能导致广泛的神经发育问题。

5. 自身免疫性疾病：

   • 针对AIS成分（如Neurofascin）的自身抗体可能导致自身免疫性脑炎或神经病变。

研究方法

• 免疫荧光染色： 使用ankyrin-G、Nav通道等特异性抗体标记AIS。

• 超分辨显微镜： 观察AIS的纳米级结构。

• 电生理学： 膜片钳记录，特别是细胞贴附式记录，可直接研究AIS的钠通道特性。

• 计算模型： 模拟AIS在动作电位产生和神经元兴奋性中的作用。

参考文献

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