呼吸節律的起源 - pre-Bötzinger Complex

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人類的呼吸與心跳都是具有規律的，因此兩者必定有自發性產生規律放電之構造。然而心跳節律點已知位於心臟上，但呼吸的節律點卻不是在肺臟上，而是在腦幹中。呼吸節律點的切確位置已被找到，此結構稱之為pre-Bötzinger Complex (Smith et al. 1991)。

Smith et al. (1991) 使用多種方式去找尋與證實呼吸節律點－pre-Bötzinger Complex (preBötC)。其實驗方法為：在體外中，對新生大鼠腦幹進行系統性地顯微切割，並進行pre-Bötzinger Complex定位與觀察。


一、使用解剖與測量放電去定位pre-Bötzinger Complex

（圖一）新生大鼠腦幹觀測到的呼吸運動個變化。A. 體外新生大鼠的腦幹顯微切面示意圖，可看到pre-Bötzinger Complex（斜線區）與其周遭結構：SO (superior olive)、7 (facial nucleus)、LRN (lateral reticular nucleus)、RFN (retrofacial nucleus)、rVRG (rostral ventral respiratory group)、cNA (caudal  division of nucleus ambiguous)。B. 腦幹切面1-11的放電狀態，1-7放電頻率相同；8放電頻率減少；9-11無放電。C. 腦幹切面1-11的放電週期，1-7週期一致；8下降；9-11無放電。 (Smith et al. 1991)

首先使用振動切面機(Vibratome)將腦幹由頭端(rostral)切至尾端(caudal)，厚度約為75 μm，實驗次數=20。（圖一）A. 為實驗切割示意圖，圖中切面8-10有涵蓋pre-Bötzinger Complex。（圖一）B. 可以發現從切面8放電的穩定度就受到干擾，直到切面9-11就終止放電。（圖一）C. 為各切面放電週期圖，從切8就可以顯著看到放電週期下降，直到切面9-11就終止放電。因此，推斷切面8-11可能存在呼吸節律器－pre-Bötzinger Complex。

二、pre-Bötzinger Complex - 舌下神經：驗證pre-Bötzinger Complex是否可以產生呼吸節律？

（圖二）A. 腦幹切片(500μm厚)包含pre-Bötzinger Complex、NA (nucleus ambiguous)、5SP (spinal trigeminal nucleus)、XII N. (hypoglossal nerve)、IO (inferior olive)。右上側曲線顯示pre-Bötzinger Complex的節律放電活動；右下兩側曲線顯示兩側舌下神經根的呼吸運動放電。B. 上圖為使用電壓鉗(-70mV)下所測得pre-Bötzinger Complex的突觸電流；下圖為呼吸神經元的突觸電流。C. pre-Bötzinger Complex的頻率-時間圖，上折線為注入高K +濃度溶液(40nl，25mM; 1nmol)的變化圖；下折線為注入CNQX(10 nl，25μM）的變化圖。 (Smith et al. 1991)

透過顯微切片的實驗，可以透過放電週期定位出pre-Bötzinger Complex，但為了驗證pre-Bötzinger Complex是否可以產生呼吸節律？Smith et al. (1991)準備包含pre-Bötzinger Complex與舌下神經(XII N.)的橫向切片，將pre-Bötzinger Complex與舌下神經形成局部神經迴路，此切片產生有節律的放電于舌下神經，舌下神經與pre-Bötzinger Complex有一致的放電頻率（圖二A.），而舌下神經的放電視為呼吸運動，因此證明pre-Bötzinger Complex可以產生呼吸節律。

為了在驗證pre-Bötzinger Complex是否可以影響呼吸節律，因此在pre-Bötzinger Complex上產生干擾。使用高K+濃度溶液與非NMDA受器的拮抗劑－CNQX(6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-di-one)，高K+濃度溶液會短暫去極化，CNQX會短暫降低頻率。結果顯示高K+濃度溶液會使pre-Bötzinger Complex放電頻率上升；CNQX會使pre-Bötzinger Complex放電頻率下降（圖二C）。

三、檢測pre-Bötzinger Complex是否有電壓依賴性起搏器特性？

（圖三）pre-Bötzinger Complex的電壓依賴性起搏器特性。A. 去極化的基準線電位，使得產生高頻率震盪。B. 上圖為舌下神經放電圖；下圖為表現爆裂特性(bursting properties)的神經。同步輸入小震幅去極化電流，左側上下圖的變化一致。將基準線電位去極化至-45mV時，右側上下圖變化不一致，且下圖爆裂(bursting)頻率比上圖高。  (Smith et al. 1991)

為了檢測電壓依賴性起搏器特性(voltage-dependent pacemaker properties)，因此，去極化神經元的基準線電位(the baseline potential)。（圖三）B為舌下神經與具爆裂特性(bursting properties)的神經元之放電比較圖，可發現同步施予小振幅電流時，兩者放電情形會同步；但將基準線電位去極化至-45mV時，爆裂性質會顯著提升。（圖三）A顯示pre-Bötzinger Complex的基準線電位去極化時，震盪頻率也隨之提高，因此具有電壓依賴性起搏器特性。

四、pre-Bötzinger Complex是否有特殊特徵？

最後，為了確定pre-Bötzinger Complex是否有特殊特徵？而將成熟大鼠的同源結構做染色處理，分別使用三種染劑：(1) Fluoro-Gold標記球囊前神經元(bulbospinal premotoneurons)、(2) rhodamine-impregnated latex beads標記丙草胺中間神經元(propriobulbar interneurons)、(3) fast blue標記尾部神經元(vagal motoneurons)。

螢光染色後的結果顯示，pre-Bötzinger Complex顯著缺乏球囊前神經元，但有最多的丙草胺中間神經元。因此，此結果表明pre-Bötzinger Complex具有獨特的特徵。

五、參考文獻

  1. Smith, J. C., Ellenberger, H. H., Ballanyi, K., Richter, D. W., & Feldman, J. L. (1991). Pre-Bötzinger Complex: A Brainstem Region That May Generate Respiratory Rhythm in Mammals. Science (New York, N.Y.), 254(5032), 726–729.
  2. Feldman, J. L., Mitchell, G. S., & Nattie, E. E. (2003). Breathing: Rhythmicity, Plasticity, Chemosensitivity. Annual Review of Neuroscience, 26, 239–266. 
  3. WikiPedia. 2018. Pre-Bötzinger complex. [accessed Jun. 2018]


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