1
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
溫度感覺神經系統之研究
計畫編號：
NSC87-2314-B002-318-M08執行期限：86 年 8 月 1 日至 87 年 7 月 31 日
主持人：趙福杉
臺大醫學工程學研究所 一、中文摘要 疼痛的感覺是生物求生存最基本的功 能，由於對熱與疼痛的感覺均由無髓鞘神 經纖維所傳導，因此本計畫預定確定兩種 型式的感覺是由何群無髓鞘神經纖維所傳 導。從單根神經記錄結果中我們無法辨斷 神經動作電位之傳導速度，但從逆向碰撞 實驗的結果得知，這兩種型式的感覺信號 可能由類似的神經纖維所傳導，由統計分 析並無法分辨。除了上述結果外我們也確 定了大鼠尾部之皮節分佈與完成了溫度刺 激器與機械性性刺激器。 關鍵詞：動作電位､皮節､逆向碰撞 Abstr actThe sensation of pain is a fundamental function of a living subject. To identify which of the two groups of the C-fiber conducts pain and/or warm we used the techniques of the single-fiber recording and the antidromic collision test. The
conduction velocity of the action potentials recorded could not be determined by our results of the single-fiber recording. Nevertheless, the results from the latter technique suggest that the two types of sensation were transmitted by both of the two groups of the C-fiber. Additionally, the dematomes of the rat’s tail were
determined and a thermo and a mechanical stimulators were implemented during the project.
Keywords: Action Potential, dematome, antidromic collision test
二、前言 對於溫度與疼痛的感覺是生物界中最 原始也最重要的功能之一，經由這兩種感 覺信號生物才能了解環境的變化並且遠離 危險。而對於疼痛的控制也是近代醫學的 一項重要課題，只有更加了解其機制(包括 其傳導路徑與信號在中樞神經系統之處理) 才能使病患免於疼痛的折磨。有鑑於此， 本計畫預計以大鼠尾部進行熱與疼痛的刺 激，並確定這兩種神經感覺信號是由背根 無髓鞘神經纖維中那一群神經纖維所傳導 (因為 C fibers 有兩群)。利用大鼠尾部做為 體感覺區有許多優點：一、尾部長而簡單， 易於外加各種刺激型式，二、尾部的背根 神經長且易於記錄或電刺激。 在此我們進行了單根神經記錄與逆向 碰撞技術來驗証這兩種感覺系統之傳導速 度，由結果顯示，這兩種感覺信號並沒有 分成兩群傳導。 三、方法 溫度及疼痛刺激： 為了誘發純粹之無髓鞘神經纖維，因 此不能使用電刺激器而改用溫度刺激器， 為此目的我們所開了溫度刺激器，其系統 方塊圖如圖 1 所示，採用熱電致冷器作為 電能轉換成熱能之換能器，只要控制流經 電流之方向就可以決定是加熱或變冷，而 溫度之高低則由電流之大小控制，這個溫 度刺激器之輸出結果如圖 2 所示，從大鼠 體溫上升至 40o C 與 45oC 分別只需要 1 及 3 秒時間，其溫度上升之速率約為 3.2o C/s， 為了達成熱及疼痛之刺激分別以 40o C 及 50oC 作為刺激溫度之強度。 單根神經記錄： 動 物 手 術 之 方 法 大 致 與 論 文 [1] 相 似，在打開大鼠之 L1至 S1之椎板後確定 S3背根神經，將此神經靠頭端剪斷，將之
2 置於圖 3 所示之油槽內，此槽內置液態石 蠟，而神經穿入之缺口處上下各以棉球封 住以防止油漏光。然後在 40 倍的倍率下以 5 號鑷子進行分撕工作，將神經置於記錄 鉤狀電極上，若無法記錄到良好的信號則 重覆分撕之動作或再換一束再重覆此步 驟。 逆向傳導記錄： 將 S3 整條背根掛在多導極鉤狀電極 上由近頭端以三角波刺激器[2]誘發逆向 傳導之無髓鞘神經纖，並在靠尾端記錄， 在此期間同時在 S3的皮節區進行熱(40 o C) 或疼痛(50o C)之溫度刺激，將此期間的神 經複合動作電位作信號平均並計算其波形 之面積[1]。 四、結果 尾部皮節之分佈： 在決定 S3 背根之前須先確定薦髓背 根在大鼠尾部之皮節分佈，由圖 4 可知尾 部主要由 S2至 S4所支配(innervation)。在 最基部是 S1皮節，而最末端部分則是 Co1 及 Co2的部分，由於這些部分不易施加溫 度刺激，因此我們選擇了中間約 1/3 的部 分作為溫度刺激之位置，而這部分正好是 S3背根之區域，所以一直以 S3作為記錄之 對象。 逆向碰撞之記錄： 如圖 5 所示為其中 4 隻大鼠之例子， 由圖之上方加熱波形與下方未加熱波形作 面積之比，在總數 n=40 的定量分析後作 paired t-test，結果並無顯著之差異。 五、討論 在本研究中共進行了四項工作，其一 是完成溫度刺激器及其特性分析，其次是 確定了大鼠薦髓背根與尾部皮節分佈之對 應關係。至於驗証傳導溫度及疼痛之神經 纖維我們以兩種記錄方法研究，其一是單 根神經記錄法，另一是逆向碰撞法，針對 這兩種方法分別討論如下： 在記錄單根神經纖維時我們的困難是 無法分辨單根神經動作電位與傳導速度之 關係，由於不能使用電刺激，所以在幾次 成功的記錄到單根神經動作電位的實驗中 我們無法確切量測此動作電位之傳導速 度，我們亦曾試圖以電刺激來興奮神經纖 維但電刺激只會產生複合動作電位，而也 試圖將纖維之撕裂長度加大，但這種方式 從未成功過，可能是無髓鞘神經纖維太細 了且通常是數根包覆在一 Reman bundle 中，故無法只記錄到單根神經動作電位， 即使是多根神經動作電位也很難記得好， 因此在後期之實驗我們採取了碰撞阻斷之 方法(計畫原先已設計之方法)。 我們也以逆向傳導碰撞法進行神經複 合動作電位記錄，也利用了選擇性刺激無 髓鞘神經纖維之技術使得無髓鞘神經纖維 之複合動作電位基線平坦，以利於定量分 析，由於前之結果(n=40)看不出熱是由何 群無髓鞘神經纖維所傳導。 這個結果雖然認為兩群無髓鞘神經纖 維可能都同時傳導熱與疼痛之感覺，但也 有可能是信號在經過平均與相減(基底線 拉平)的過程中已被模糊掉了，所以也不能 百分之百肯定這個論點，不過由資料顯示 兩種感覺信號很可能由兩群神經纖維所傳 導，至於經由本計畫又新開發的機械性刺 激器我們已將之發表於醫工年會中[3]。 六、參考文獻
1. F.-S. Jaw, S.-N. Yu, J.-C. Lee, H.-W. Tsao, H.J. Yu and C.-T. Yen,
“Interactive program for spectral and area analysis of compound action potentials of A fiber and C fiber,” J. Neurosci. Methods, vol. 40, pp. 121-126, 1991.
2. F.-S. Jaw, C.-T. Yen, H.W. Tsao and H.J. Yu, “A modified triangular pulse stimulator for C-fibers stimulation,” J. Neurosci. Methods, vol. 37, pp. 169-172, 1991.
3. M.-F. Tsai and F.-S. Jaw, “Design of a Mechanical Stimulator,” Chinese
biomedical engineering society annual meeting, December, 1998.
3 圖 1. 溫度刺激器方塊圖。 圖 2. 溫度刺激器之輸出特性，圖中 3 條反 應曲線之設定溫分別是 40、50 及 60oC。 圖 4. 大鼠薦髓背根在尾部之皮節分佈，相鄰兩背根間約有 4%之重疊，在此平均之數目 n=4，圖中之數字單位為%。 圖 3. 單根神經纖維之記錄油槽，其尺寸 為：17×10×5mm。圖中之鉤狀電極 由 0.01 inch 之白金線所構成，最左 邊兩條接至差動放大器，而第三條接 地以減少電源雜訊之干擾。 圖 5. 逆向碰撞實驗。圖中共有 4 隻大鼠 S3之無髓鞘神經纖維複合動作電 位，每組波形之上方是加熱後 100 個波形之平均，而下方則是未加熱 (control)時之平均波形。 散熱裝置 熱電致冷器 電流驅 動電路 電壓位 準調整 信號放大 熱電偶 溫度控制 溫度顯示 20 cm S 2 S 3 S4 1.2±1.4 24.7±1.5 21.0±1.0 55.7±3.5 52.0±4.3 83.0±3.1 A B C D 缺口 支架
